柔性电催化纳米纤维膜反应器研发成功，实现优于商用锂离子电池性能

6月8日，从内蒙古纳米碳材料重点实验室获悉，实验室刘景海教授团队联合国内多家高校，成功研发出柔性电催化纳米纤维膜反应器，用以支持锂硫转化化学、电极模块化堆叠技术，可实现实用化高硫负载、高容量和高倍率锂硫电池制备。团队相关研成果已于近日在国际著名材料科学领域的期刊《Advanced Functional Materials》上发表。

该研究由内蒙古自治区纳米碳材料重点实验室联合清华大学、华南师范大学、吉林大学、南开大学等区内外等科研团队共同攻关完成的，是我区基础研究领域的又一重要成果。

刘景海表示，锂硫电池（Li/S battery）具有理论能量密度高（2600 Wh kg-1）和低成本等优势，吸引了储能产业界和能源材料领域广泛关注。然而，Li/S转化化学、推进产业化发展任重道远，这主要因为充放电循环过程中容量衰减快，安全性及各组元不匹配导致能量密度低的问题。其中，氧化还原反应动力学迟缓、硫（S）有效利用率低、可溶多硫化锂严重穿梭效应及其与锂负极之间发生的副反应等是Li/S化学转化过程中的科学瓶颈。

该研究首次报道了一种柔性高导电的TiN–Ti4O7异质核壳结构纳米纤维（TiNOC）膜反应器，用于电催化调制Li/S转化化学。采用实验结合DFT理论计算方法探索了TiNOC膜反应器对LiPSs的电催化和化学吸附限域的机制，开发模块化电极技术实现了优于商用锂离子电池的性能。研究发现，纳米纤维中的Ti、N和O原子作为电催化和化学吸附限域的活性位点，加速长链LiPS转化和相变动力学、抑制穿梭效应。最优吸附构型拉长Li-S和S-S键键长、驱动电荷沿Ti-S和Li-N键转移、有助于化学键的断裂和形成，加速了固态S8、Li2S2和Li2S的活化转化。模块化电极构造使得硫利用率高达91.20 %、5C高倍率下放电容量为869.10 mA h g-1，200圈稳定循环的容量保持率为92.49 %、平均库仑效率为99.57 %。高硫负载下（12.00 mg cm-2），在2.26 mA时输出面积比容量14.40 mA h cm-2，并且在60圈充放电循环后容量保持率仍高达89.30 %。两块串联电池可以为60个LED灯泡提供69.00 mWh的能量，可连续供电1小时以上。

该研究历时两年多的积累，与清华大学张跃钢教授团队、华南师范大学李伟善教授团队联合攻关，同时得到吉林大学无机合成与制备化学重点实验室和南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室开放基金支持。

研究团队研发出一种柔性高导电异质核壳结构纳米纤维膜反应器，具有化学吸附、电催化和离子筛功能，可将多硫化锂限制在纳米尺度表面，并加速其可逆转化以催化调制锂硫转化动力学。该纤维膜反应器在转化动力学、离子扩散、电子转移方面显示出优异的性能。

研究团队研发出一种柔性高导电TiN–Ti 4O 7异质核壳结构纳米纤维（TiNOC）膜反应器，具有化学吸附、电催化和离子筛功能，可将多硫化锂限制在纳米尺度表面并加速其可逆转化以催化调制Li/S转化动力学。TiNOC膜反应器在转化动力学、离子扩散、电子转移和LiPS穿梭抑制方面显示出优异的性能。通过采用实验与DFT计算结合的研究方法，从化学键的断裂形成及电荷转移角度深入揭示了Ti、N和O活性位点的化学限域和电催化调控高硫利用率、高倍率容量和高电流密度长循环容量保持能力的机制。同时，电极模块化堆叠技术构筑了可实用化、高硫负载、高容量的锂硫电池，实现了优于商用锂离子电池的性能，为开发快速充电、高能量、高功率锂硫电池提供了一条创新途径。

责任编辑：gt