资源化学教育部重点实验室肖胜雄教授团队在锂硫电池研究领域取得新进展，相关成果近日在国际知名期刊《ACS Nano》上在线发表，论文题为“ZnS-SnS@NCHeterostructure as Robust Lithiophilicity and Sulfiphilicity Mediator toward High-Rate and Long-Life Lithium–Sulfur Batteries”。论文第一作者为江南·体育中国官方网站姚伟奇师资博士后和华东理工大学郑伟中博士后，通讯作者为我院肖胜雄教授。
锂硫电池因其高理论容量（1675 mAh g-1）和高理论能量密度（2600 Wh kg-1）被认为是最有应用前景的新一代储能器件之一。硫元素虽然具有储量丰富、成本低廉、安全无毒、环境友好等优点，但是由于硫单质及其放电产物Li2S几乎不导电，严重降低了锂硫电池的电子传输效率及电化学反应效率。此外，锂硫电池循环过程中产生的多硫化物溶于电解液，容易造成“穿梭效应”；穿梭的多硫化物与锂金属之间会发生副反应，导致锂金属腐蚀；并且多硫化物转化动力学速度慢。上述问题导致锂硫电池的库伦效率和循环稳定性较差，严重制约着锂硫电池的实际应用。因此，如何有效地抑制多硫化物的穿梭效应、加速硫的反应动力学、提高锂硫电池的循环稳定性对锂硫电池的应用具有重要的意义。
近日，学院肖胜雄教授课题组巧妙地将具有较强化学吸附作用和高导电性的SnS与具有较强催化活性的ZnS有效地结合起来，在商用聚丙烯（PP）隔膜上构筑了一种立方ZnS-SnS@NC异质结构材料，获得了具有“亲硫”和“亲锂”两重特性的ZnS-SnS@NC改性功能隔膜，该隔膜不仅可以有效地抑制多硫化物的穿梭效应，实现离子/电子的快速迁移和多硫化物的快速固定-扩散-转化，还有助于脱/嵌锂过程中锂离子在负极表面的均匀成核。通过DFT模拟、非原位XANES和原位Raman光谱技术，证实该隔膜修饰层可以有效地抑制多硫化物的穿梭，并且能提高硫的反应动力学。当作为改性层涂覆在PP隔膜上时，ZnS-SnS@NC基锂硫电池展现了良好的电化学性能，包括0.2 C下300次循环后1149 mAh g-1的高可逆容量，10 C下661 mAh g-1的高倍率性能，4 C下2000次的长循环寿命等。此外，在高载硫量（10.3 mg cm-2）和低电解液/硫比（4 μL mg-1）条件下，具有较高的面积比容量（9.46 mAh cm-2）和良好的循环稳定性。
此工作有助于从分子水平上了解不同异质结构组分对锂硫电池性能的影响，并促进锂硫电池的发展。该研究受到了国家自然科学基金（面上项目）和中国博士后科学基金（特别资助、面上资助）等多个项目的支持。
论文链接：ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c00270