文章資訊
晶面工程誘導六方形Co2P-V2O3催化劑助力鋰硫電池1000次穩定迴圈！
第一作者：周圍
通訊作者：馬良*，王楠*、黎立桂*
組織：暨南大學、華南理工大學
研究背景
鋰硫電池因其高理論容量（1675 mAh g-1）、高能量密度（2600 Wh kg-1）、環境友好以及硫資源豐富等優點被視為下一代最有前景的儲能設備。然而，鋰硫電池的應用面臨著兩個重要的問題：多硫化物穿梭效應和嚴重的枝晶生長，這些問題導致電池比容量低、倍率效能差、容量衰减快並大大縮短了電池的壽命。對此，研究者們做出了許多努力並取得了長足的進展。採用功能化資料修飾商用隔膜是一種抑制多硫化物穿梭效應和阻礙枝晶生長的常用方法。
暨南大學馬良、王楠和華南理工大學黎立桂等首次通過優化形貌合成了高（211）晶面暴露的Co2P納米晶體生長在二維V2O3六方形的納米片上作為鋰硫電池的功能化隔膜修飾資料。通過DFT理論計算分析了Co2P的（211）晶面能够暴露更多的Co活性位點，同時促進對聚硫化合物的吸附和催化轉化，從而實現了在大電流下（4.0 C）長期穩定迴圈1000圈，在高負載時也能穩定迴圈！本文為提高鋰硫電池的電化學效能提供了新的思路，有助於加速鋰硫電池領域的研究及實際應用。
文章簡介
在這裡，來自暨南大學的馬良、王楠和華南理工大學黎立桂等合作，在國際知名期刊Small上發表題為“Crystal Surface Engineering Induced Active Hexagonal Co2P-V2O3 for Highly Stable Lithium–Sulfur Batteries”的觀點文章。
該工作通過優化形貌控制合成高（211）晶面暴露的Co2P納米晶體生長在V2O3六方形納米片上（H-Co2P- V2O3）。通過暴露更多的Co2P納米晶體（211）晶面獲得更多的活性Co位點，同時促進對聚硫化合物的吸附和硫的雙向轉化的催化作用。囙此H-Co2P- V2O3/PP修飾的電池在4.0 C電流密度下迴圈1000圈，每圈的衰减率為0.04%，良好的倍率效能（8.0 C:611.5 mAh g-1）。當載量高達14.5 mg cm-2，0.1 C下迴圈100圈仍有12.38 mAh cm-2。
圖1.Co2P-V2O3 NP、H-Co2P-V2O3和H-Co2P-V2O3/PP隔膜的示意圖，以及阻礙多硫化物溶解和促進硫轉化的原理
本文要點
要點一：製備高（211）晶面暴露的Co2P納米晶體均一生在V2O3的六方形納米片上
圖2.H-Co2P-V2O3的表徵圖
圖1示意圖表明了H-Co2P- V2O3的合成過程以及原理圖。如圖1所示，首先通過一步溶液法製備二維的六邊形前驅體，再通過高溫磷化合成了高（211）晶面暴露的Co2P納米晶體生長在V2O3的六方形納米片上（H-Co2P- V2O3）。
通過SEM和TEM說明了合成了均一的多孔二維六方形的H-Co2P- V2O3，HRTEM說明H-Co2P- V2O3中Co2P和V2O3的存在，也證明了異質結的存在，異質介面能提供更多的活性比特吸附催化聚硫化合物。XRD進一步說明了合成了Co2P和V2O3的異質結，通過對各個資料中的Co2P的（121）和（211）晶面的峰值的比值進行分析，可以發現H-Co2P- V2O3的比值要大於Co2P- V2O3納米顆粒的比值，說明暴露了更多的（211）晶面。
要點二：高（211）晶面暴露的H-Co2P- V2O3對多硫化物吸附和催化能力的增强
圖3.（a）Co2P-V2O3的計算結構圖。（b）V2O3、Co2P和Co2P-V2O3的DOS和（c）費米能級。（d）Co2P-121和Co2P-211晶面結構的電荷密度分佈。Li2S6吸附在（e）Co2P-121和（f）Co2P-211上的計算結構.（g）計算出LiPS與Co2P-121和Co2P-211的吸附能。（h）Co2P-121和Co2P-211上Li2S8轉化為Li2S的相對自由能
作者首先通過構建Co2P- V2O3異質結模型和費米能級的計算，證明了Co2P-V2O3的費米能級更接近多硫化物的LUMO能級，這將有利於反應過程中的表面電子隧穿，促進多硫化物的還原分解。然後，我們進一步討論了Co2P兩個主要晶體表面對多硫化物的吸附和轉化效應。證實了Co2P的（211）晶面對多硫化物具有更强的吸附能力和催化活性，能够加快多硫化物的催化轉化過程。
要點三：高（211）晶面暴露的H-Co2P- V2O3對鋰硫電池綜合效能的提升
圖4.Li-S電池效能
H-Co2P- V2O3/PP隔膜修飾的電池表現出優异的迴圈穩定性，在4 C的高倍率下，1000次超長迴圈後平均容量衰减為0.04%，8.4 mg cm-2的高負載容量的0.2C下，其電壓曲線仍保持兩個完好的電壓平臺，即使在超高硫負載的0.1 C下不僅能够提供超高的初始區域容量，在迴圈100後仍能保留12.38 mAh cm-2的區域容量。這項工作的重點是通過晶面工程來提高資料的催化活性，為Li-S電池隔膜修飾資料的結構優化提供了新的途徑。
文章連結
Crystal Surface Engineering Induced Active Hexagonal Co2P-V2O3 for Highly Stable Lithium–Sulfur Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202200405
通訊作者簡介
馬良助理研究員
馬良，博士，助理研究員。暨南大學優秀創新創業導師，華中科技大學優秀畢業生，在Nano Energy、Angew Chem、Small、JMCA等雜誌上發表高水准研究論文近20篇，研究成果受到英國倫敦學院等國內外知名科研團隊的引用和評述，指導大學生團隊獲得第七届中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽全國總決賽銀獎。主要研究方向包括：（1）Na、K離子電池晶體缺陷工程；（2）電解液溶劑化結構及電極介面；（3）多尺度理論計算和原位光譜表徵研究。
王楠碩士生導師
王楠，2019年作為引進人才加入暨南大學，碩士生導師，以第一作者或通訊作者在ACS Catalysis，Appl.Catal.，B，Small，Chem.Eng. J.，Chem.Commun.，ACS Appl.Mater.Interfaces等雜誌上發表論文20餘篇。主要研究方向包括：（1）H2-O2燃料電池、金屬-空氣電池電催化；（2）混合電解水催化劑的製備；（3）第一性原理計算：包括資料的電子雲密度，d帶中心，p帶中心，雜化軌道結構，自由能，吸附能等。
黎立桂副教授
本科畢業於吉林大學化學工程與工藝專業，2010年獲得中科院長春應化所高分子物理與化學博士學位，導師為中科院長春應化所楊小牛研究員。先後在荷蘭埃因霍芬理工大學、美國德雷塞爾大學和猶他大學從事博士後研究工作。2013至今任職於華南理工大學環境與能源學院。主要研究方向包括：（1）燃料電池、金屬-空氣電池電催化；（2）鋰-硫電池電極資料；（3）新型抗/滅菌納米材料，環境納米催化資料；（4）電晶體新型光伏器件的構建。
第一作者介紹
周圍2018年本科畢業於北京交通大學，現為華南理工大學環境與能源20級博士生，導師為黎立桂副教授，主要從事鋰硫電池正極資料和隔膜的相關性研究，以第一作者在國際知名期刊Carbon，J. Colloid Interface Sci.，small等雜誌發表了5篇論文。