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HAWKER蓄电池构建MoO2/Mo2C异质结构于氮掺杂碳微球表面以实现锂硫电池中多硫化物的协同吸附-催化作用

锂硫电池的实际应用受到多硫化物穿梭效应和缓慢转化动力学的严重制约。本研究设计并制备了一种锚定于氮掺杂碳微球上的异质结构MoOsingle bond/Mo2/Mo2/Mo2/Mo2以MoO<sub>x</sub>@NC作为多功能隔膜涂层。该材料在界面处形成的定向内置电场可有效抑制多硫化物的穿梭效应,同时提升锂离子的迁移数(t<sub>Li+</sub>)。通过同步辐射X射线吸收近边结构谱(XANES)和扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)证实,MoO<sub>x</sub>纳米晶与氮掺杂碳基体的协同作用实现了对Multi-S物种的强化学锚定。密度泛函理论(DFT)计算进一步表明,Mo 4d轨道与多硫化物的p轨道之间存在显著的电荷转移,结合能达-3.21 eV。这种多性向调控策略使锂硫电池在2C倍率下循环500次后仍保持82.3%的容量保持率,且单次循环衰减率仅为0.034%。2/Mo2碳界面驱动电子重新分布,不仅增强了多硫化物在极性氧化钼表面的化学锚定作用2同时还促进了其在导电钼碳域上的催化转化。这种协同的吸附-催化机制有效抑制了穿梭效应2并提升了液固转化动力学性能。因此,配备氧化钼的锂硫电池single bond配备MoO的S电池2/Mo2C@NC改性隔膜表现出卓越的倍率能力(670 mAh g−1@2C)和长循环稳定性(1000次循环后仍保持约515 mAh g−1)。该研究阐明了界面电子调控在多硫化物调控中的关键作用,并为高能量密度锂硫电池提供了合理的异质结构设计策略。single bond硫基电池。

图形摘要

通过快速可控地构建MoO/MoC异质界面,实现了界面电子增强效应,从而平衡了对LiPSs中间产物的吸附-催化活性。22
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引言

便携式电子设备的普及与大规模储能电网扩展包的发展,对高能量密度二次电池系统的需求日益增长[1][2]。在新兴储能技术中,锂硫(Li-S)电池因其超高理论比容量(1675 mAh gsingle bond)和高能量密度(∼2600 Wh kg−1)特性,被视为下一代高能量密度器件最具潜力的候选体系之一。−1),以及硫的自然丰度、低成本和环境友好性[3][4][5][6]。然而,锂硫电池的实际应用仍受若干固有挑战阻碍,其中最突出的是充放电循环中形成的可溶性多硫化锂(LiPSs)所产生的"穿梭效应"[7][8][9][10]。single bond该现象会导致活性材料不可逆损失、容量快速衰减、库仑效率低下及严重自放电,成为制约锂硫电池商业化的根本瓶颈[11][12][13]。single bondS电池[11][12][13]。
大量研究致力于通过高效固载与催化转化多硫化物的策略来抑制多硫化物穿梭效应[14][15][16]。在此背景下,采用高性能极性材料构建功能性隔膜涂层的技术方案,已成为物理限域与化学吸附多硫化物的有效能力[17][18][19][20]。尽管碳基涂层材料早期被广泛研究,但其非极性特性限制了多硫化物的亲和性与限域作用[21]。近年来,强极性过渡金属氧化物(TMOs)和过渡金属碳化物(TMCs)因其对多硫化锂(LiPSs)优异的吸附和催化活性而受到广泛关注。TMOs通过M-O化学键展现出强大的LiPS锚定能力,而TMCs则具备类金属导电性及高效的LiPS转化催化活性[22][23][24][25][26]。然而,单一组分的TMO或TMC体系往往面临有效LiPS吸附与快速转化之间的权衡矛盾:TMOs较差的导电性可能阻碍反应动力学,而TMCs的LiPS吸附强度相对于其催化性能则显不足[27][28]。这些限制导致无法实现对LiPSs的最优调控,从而制约了锂硫电池的整体电化学性能。single bond硫基电池。
为应对这一挑战,本研究设计并原位构建了一种由MoO2/Mo2C异质结构组成的微球复合材料,该结构负载于氮掺杂碳微球上(记为MoO2/Mo2C@NC),并将其用作锂硫电池的多功能隔膜涂层。通过对钼和碳前驱体进行精确控制的热解过程,我们成功制备了纳米级MoOsingle bond通过精确控制钼与碳前驱体的热解过程,我们成功制备了纳米级MoO2/Mo2C异质结。尽管锂硫电池异质结构工程已取得显著进展,但已报道的异质结构催化剂仍存在固有缺陷,限制了其整体催化性能。例如,MoS2/MoO3[29]异质结构同时面临MoO3导电性差与MoS2催化活性不足的双重困境。single bond22333322这导致多硫化锂(LiPS)转化动力学迟滞。MoS2/TiO2[30]体系因晶格失配引发的弱界面耦合问题而备受困扰,该问题阻碍了高效电荷转移,从而导致仅具有中等强度的多硫化锂吸附能力。尽管Mo2C/MoC [31]异质结构展现出增强的电导率,但两种碳化物组分相对较弱的极性使得其对多硫化锂的化学锚定作用不尽人意。与已报道的异质结构体系相比,MoO2/Mo2本研究提出的C异质结具有独特的设计优势。首先,MoO2与Mo2C之间显著的功函数差异促进了强内建电场的形成,该电场驱动界面电荷重新分布,同时增强了MoO2对LiPS的吸附能力以及Mo2C的催化活性。其次,MoO2/Mo2C异质结构在纳米尺度上直接耦合了高吸附性的MoO2与高导电性的Mo2C,使得捕获的多硫化锂能够通过低电阻界面快速迁移至催化活性位点,从而实现短程“吸附-转化”协同效应。第三,理论计算表明MoO2/Mo2C异质结能够调控Mo的d带中心使其更接近费米能级,从而系统性地降低多步LiPS转化反应的能垒。第四,同步引入的氮掺杂碳(NC)载体进一步改善了MoO2/Mo2C异质结构的分散性,并促进电子在整个复合材料中的传输。电化学测试证实,与单一组分的MoO2@NC或Mo2C@NC涂层相比,采用MoOsingle bond具有MoO的S细胞2/Mo2C@NC改性隔膜在倍率性能和长期循环稳定性方面均表现出显著提升。因此,通过精确的界面电子工程与结构设计构建的MoO2/Mo2C@NC异质结,为锂硫电池中多硫化物的锚定与转化协同增强提供了新型策略single bond硫基电池。