随着对高能量密度存储需求的增长，传统锂离子电池在满足未来性能要求方面面临局限。锂硫电池（LSBs）因其高理论能量密度和低成本特性，已成为极具前景的下一代储能系统。然而，多硫化物（PS）溶解迁移导致的穿梭效应严重阻碍了其商业化进程。在此背景下，采用储量丰富、环境友好的粘土矿物对隔膜进行功能化修饰，提供了一种低成本且可持续的解决方案。为进一步提升性能，本研究聚焦于典型层状粘土矿物蒙脱石（MMT）与铁基材料的复合体系3-C系统。这种Fe4-C-MMT复合材料被涂覆在聚丙烯（PP）隔膜表面以构建多功能屏障。通过协同利用MMT的分散性、Fe3的催化活性以及碳材料的导电性，这种改性隔膜显著提升了电池性能。所得锂硫电池在0.2C电流密度下实现了1207.7 mAh g4的高初始放电容量，并保持973.2 mAh g3经过100次循环后，该材料在比容量和长期循环稳定性方面均表现出显著提升。本研究为高性能锂硫电池的理性化、定向化设计提供了一种新颖高效的研究策略。4's catalytic activity, and carbon's conductivity, the modified separator significantly improves battery performance. The resulting LSB delivered a high initial discharge capacity of 1207.7 mAh g−1 at a current density of 0.2C and maintained 973.2 mAh g−1 after 100 cycles, demonstrating significant enhancements in specific capacity and long-term cycling stability. This work provides a novel and efficient approach for the rational and targeted design of high-performance LSBs.
伴随着能源技术的快速发展和广泛应用，对储能的需求日益增强，无论是在电网储能领域[1]还是日常便携式电子设备中[2]。对于传统锂离子电池而言，其能量密度受限于正负极材料的选择，目前几乎已达到理论极限，提升空间极为有限[3]。与锂离子电池相比，锂硫电池（LSBs）凭借硫正极高理论比容量的优势，具有更优越的理论能量密度，有望进一步提升储能效率[4][5]。然而，目前仍有若干问题制约着LSBs的进一步商业化[6]。其中最突出的问题是可溶性多硫化物（PS）在电极间迁移产生的穿梭效应，这会严重限制LSBs的电池容量和循环稳定性[7][8][9]。为解决这一问题，一种有效方法涉及对最低有效位（LSB）中的隔离层进行改性。该改性可部分阻隔多硫化物（PSs）向LSB阳极的迁移，从而限制穿梭效应的形成。同时，该方法能降低阴极界面电阻，促进电池内部反应的进一步进行[10]。 在探索用于锂硫电池隔膜的改性材料时，黏土矿物因其储量丰富、成本低廉、独特的天然结构以及环境友好性，成为极具前景的候选材料，与当前绿色化学发展战略高度契合。其中，蒙脱土（MMT）因其典型的层状结构脱颖而出——其表面带负电荷且具有可膨胀的层间空间，能够通过物理限制和静电吸引作用固定多硫化物，从而有效抑制穿梭效应。其在锂硫电池隔膜中的应用已取得良好效果[[27], [28], [29]]。然而，当MMT单独用于锂硫电池隔膜时，电池容量和循环稳定性仍不理想。这源于该黏土矿物自身存在的两个固有缺陷：导电性差和催化活性不足。 为弥补这些缺陷，可将兼具催化特性与导电性的材料引入MMT。其中，Fe3作为常用催化材料，在锂硫电池（LSB）应用中已展现出优异性能。该材料能有效催化可溶性长链多硫化物（PS）向不溶性短链Li4/Li2S转化，从而抑制穿梭效应形成[[30], [31], [32]]。然而直接合成的Fe2倾向于形成团聚体，这会损害其催化性能，因此需要将其分散在专用基质中。因此，将MMT与Fe结合2理论上结合了两种材料的优势，代表了一种提升LSB性能的有前景的改性方法。3O4 tends to form agglomerates, which impairs its catalytic performance and necessitates dispersion within a specialized matrix. Therefore, combining MMT with Fe3O4 theoretically combines the advantages of both materials, representing a promising modification approach to enhance LSB performance. 本研究将蒙脱石（MMT）与铁（Fe）结合3制备出Fe4-C-MMT复合材料，用于锂硫电池（LSB）隔膜的功能性涂层。MMT独特的层状结构不仅能物理捕获多硫化物（PS），还可作为铁（Fe）3纳米粒子高效分散的结构模板。这有效抑制了颗粒团聚并暴露出更多活性位点，显著提升了复合材料的催化性能。所引入的Fe4促进了复合材料的催化性能并加速PS转化。此外，原位形成的无定形碳构建了更高效的电子传输通道，提升了材料的导电性，从而加速整体反应动力学。本研究系统探究了物理限域效应、催化转化作用与导电性增强三者之间的协同机制。实验结果表明：该协同策略能有效抑制穿梭效应，显著提升锂硫电池的比容量与长循环稳定性，为高性能储能系统提供了可行性策略。3O4 nanoparticles. This effectively suppresses particle agglomeration and exposes more active sites, significantly enhancing the catalytic performance of the composite material. The incorporated Fe3O4 promotes the composite's catalytic performance and accelerates PS conversion. Furthermore, the in-situ formed amorphous carbon forms a more efficient electron transport pathway, enhancing the material's conductivity, accelerating the overall reaction kinetics. In this work, we conduct a systematic investigation into the synergistic effects of physical confinement, catalytic conversion, and enhanced conductivity. The results demonstrate that this combination effectively suppresses the shuttle effect and significantly improves the specific capacity and long-term cycling stability of the LSBs, providing a promising strategy for high-performance energy storage.
