钟胜奎:合金型负极材料氧化物载体的氧缺陷性能调控获得锂离子电池的长效寿命

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随着新能源领域的迅速发展，人们对锂离子电池的能量密度和循环寿命提出更高的要求。合金型负极因其超高的理论容量而受到广泛关注，但是该材料也存在体积膨胀大和导电性差等问题。虽然可通过纳米化和碳复合等手段使其电化学性能得到大幅改善，但同时也伴随着一些新问题的产生：纳米合金材料与碳材料之间的结合力弱，因此在循环过程中非常容易剥离，导致其电极内阻增大。此外，由于纳米颗粒比表面能高，剥离后的活性材料极易团聚，导致复合材料容量下降，循环寿命降低。为了解决活性材料与碳材料的结合力弱从而导致的一系列问题，研究者们通过对碳材料进行异原子掺杂，以共价键将纳米材料固定在其表面，从而进一步提高其循环寿命。然而，改性碳材料中异原子含量一般很低，难以将所有活性材料以共价键的形式完全固定。因此，实现合金型负极/碳复合材料的高容量、长寿命面临巨大挑战。

氢化TiO2（H-TiO2）因其化学性质稳定和体积膨胀小等特点被广泛用于正负极材料的包覆层，同时它也是硫和单原子催化剂的良好载体。基于此，苏州大学钟胜奎教授团队、上海大学吴明红教授团队和华南理工大学熊训辉教授团队提出采用H-TiO2负载合金型负极材料，并利用支撑体中氧缺陷提高结合能，从而显著改善合金型负极材料的电化学性能。该研究分别以H-TiO2和氮气气氛处理TiO2（N-TiO2）负载SnS2，理论计算和实验结果均表明SnS2以丰富的Ti-S键被固定在TiO2支撑体中。值得注意的是，与N-TiO2支撑体相比，氧缺陷可以促进Ti-S的形成，进而加强H-TiO2与SnS2及其放电产物的化学结合能，从而更有效地抑制SnS2在长期充放电过程中与支撑体的剥离和团聚。此外，为了提高材料的导电性并缓冲活性材料的体积膨胀，在SnS2表面包覆PPy纳米层，使得SnS2在2 A g-1的电流密度下循环2000次后的容量保持率仍高达89.7%，而N-TiO2负载SnS2的容量保持率仅为38.0%。该工作为高容量、长寿命合金型负极材料的研究与开发提供了新思路。

相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

该论文作者为：Ling Wu†, Jie Zheng†, Liang Wang†, Xunhui Xiong*, Yanyan Shao, Gang Wang, Jeng-Han Wang, Shengkui Zhong*, Minghong Wu*

PPy-encapsulated SnS2 nanosheets stabilized by defects on TiO2 support as durable anode material for lithium ion battery

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201811784