ChemElectroChem：一种锂硫电池多功能薄膜 ——可加速多硫化锂催化转化的WS2@C花状纳米结构

湖北大学王贤保教授课题组与德国达姆施塔特工业大学Jan Philipp Hofmann教授课题组合作报道了简单热处理法制备的花瓣状WS₂@C复合材料，并将其应用于锂硫电池的隔膜改性。结合基础分析与完整电化学测试，研究发现所得产物作为隔膜涂层，能使锂硫电池具有优异的电化学性能。同时，其独特的制备方式不仅缓解了材料自身的团聚问题，也提高了两种单一物质的复合兼容性，进而发挥出最大程度的协同功效。

图1 （a）WS₂与（b）WS₂@C的扫描电镜图，（c）WS₂@C-PP的工作机理示意图

过渡金属硫化物因其优异的电催化特性与极性表面，在锂硫电池领域备受关注。WS₂在其中具有相对较高的导电性，同时，独特的开放层状结构与边缘催化选择性为其提供了丰富的活性位点。具有高导电性，且易于改性与复合的碳材料，已广泛地以各种形式应用于锂硫电池中。相较于此前的许多工作（将商用WS₂与碳材料进行机械混合），湖北大学王贤保教授课题组先制备出具有花瓣状形貌的WS₂ (图1a)，再通过一步热处理法将两者“有机”结合 (图1b)。具有三维开放结构的WS₂可暴露出更多的有效活性位点，而碳层以一种微小间隔方式，紧密、均匀地包覆于其上，最大程度地实现了化学吸附、电催化与导电性的协同。该物质在电池的反应过程中，可有效缓解中间产物（可溶性多硫化锂）造成的活性物质损耗与负极腐蚀等弊端，也因三维包覆结构，避免了活性物质在不必要的转移路径（吸附位点至反应活性位点）中的消耗。与此同时，研究发现，碳层作为一种间隔层，阻止了WS₂自然的层间堆叠与团聚，进而得到致密、均匀且稳定的WS₂@C复合涂层。

图2 (a) 四种隔膜在0.1C下循环300圈的电化学性能；(b) WS₂@C-PP在1C下500圈的长循环性能

一系列电化学测试结果证实了WS₂@C对传统聚丙烯（PP）隔膜的优异的改性效果。根据图2a可知，以WS₂@C-PP作为隔膜的锂硫电池，在0.1C的循环倍率下，拥有1475 mAh g^-1的初始放电容量，并在1C下的500圈循环中衰减得十分缓慢（0.07%/圈）。图2b中比较了WS₂@C-PP与C-PP作为电池隔膜时，在0.1C倍率下循环100圈后的扫描电镜图像，其中可以明显发现，前者的表面完整、致密、无裂缝，反映了WS₂@C涂层优异的长循环稳定性能。