川大《AFM》：用于可充电锂化硅-多硫化物全电池的一种内置异质结构多室主体架构

金属氮化物基异质结构已成为锂硫电池中有效的聚硫醚介体。然而，到目前为止，这些异质结构的发展主要依赖于以腐蚀性NH₃或合成含氮试剂为氮源的高温氨化，这些工艺会造成潜在的环境危害以及额外的技术挑战。

来自四川大学，哈佛大学等单位的研究人员，设计了一种由天然结构蛋白衍生的具有内嵌TiN/TiO₂异质结构的多室碳纳米纤维宿主结构。TiN/TiO₂异质结构是天然富氮生物前驱体在不添加任何氮源的情况下，通过热致拓扑化学自氮化在碳纳米管中自发生成的。理论计算的外场/原位实验证实了聚硫醚在极性异质界面上的强捕获和增强电荷转移，同时实现了聚硫醚的固载-二次扩散转化。具有丰富内部空隙和高导电性的多室主体结构保证了液态Li₂S₆阴极的容纳性，同时确保了电池可以在贫电解液中工作。因此，得到的锂聚硫醚电池在500次循环中表现出0.023%的超低容量衰减率和相当大的面积容量(≈6mAh cm^-2)，在高S负载下(5.8mg cm^-2)。重要的是，基于锂化硅负极和聚硫醚阴极的巧妙的混合全电池即使在低负/正容量比(≈1.18)下也能够获得可观的循环性能和高能量密度。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202103456

综上所述，本文报道了一种具有内建拓扑化学自氮化作用的生物衍生多孔碳纳米管结构，通过一种简单易行、易于放大的策略实现了TiN/TiO₂异质结构的构型，目标是构建先进的锂化硅-聚硫醚全电池。根据富含N的胶原生物前驱体对拓扑化学钛的响应，可以自发生成极性的TiN-TiO₂异质结构，并将其嵌入到多室碳纳米纤维骨架中，而不需要额外的氮源。

高度多孔的纳米碳纤维基质具有有序的腔体状内部空间、增强的导电性和坚固的结构稳定性，为液体聚硫锂的注入和空间容纳提供了理想的宿主结构。实验和理论上证明了TiN-TiO₂异质结构既是捕捉剂又是介体，其协同促进了聚硫醚在极性异质界面上的固定化和转化。由于这些优点，TiN/TiO₂-MCF在锂基聚硫电池甚至锂化聚硫硅电池中的应用使其具有优异的电化学性能。本文希望这项工作能够为开发实用的锂电极高能量密度锂硫电池提供新的途径和前景。（文：SSC）

图1.a)Li₂S₆@TiN/TiO₂-MCF的合成过程示意图。

图2.TiN/TiO₂-MCF和TiN/TiO₂/Co-CF的X射线衍射图谱和X射线光电子能谱。 

图3.a)TiN/TiO₂-MCF在Li₂S₆电解液中对称电池的前四条循环伏安曲线。

 

图4. a)0.1C下的初始放电/充电曲线。b)Li₂S₆@TiN/TiO₂-MCF和Li₂S₆@MCF的倍率能力。

 

图5. a，b)Li₂S₆在TiN(111)和TiO₂(110)表面吸附的优化配位。