一、 研究背景与问题
锂硫电池因高理论比容量（1675 mAh g⁻¹）和高能量密度被视为极具前景的下一代储能技术，但其商业化受限于两个核心问题：

1. 多硫化物穿梭效应：可溶性多硫化锂中间体穿过隔膜与锂负极反应，导致活性物质损失和容量衰减。
2. 缓慢的氧化还原动力学：多硫化物的转化反应速率低，进一步加剧穿梭效应。

传统碳基材料（如碳纳米管CNTs）虽有良好导电性，但对极性多硫化物的物理吸附力较弱，难以从根源上抑制穿梭。
二、 核心创新：改性隔膜材料（NC@CoNiFe/CNTs）
本文设计了一种多功能杂化复合材料，涂覆在商用聚丙烯（PP）隔膜上，其结构要点包括：

• NC@CoNiFe 纳米颗粒：三金属（Co、Ni、Fe）合金纳米颗粒，外面包覆氮掺杂碳（NC）。氮掺杂提升了材料极性，增强了对多硫化物的化学吸附；三金属协同作用提供了丰富的催化活性位点。
• CNTs（碳纳米管）：构建三维导电网络，提升电子/离子传输速率，并提高硫利用率。
• 协同机制：物理限制（CNTs网络）+ 化学吸附（氮掺杂碳）+ 催化转化（CoNiFe合金）三者协同，高效抑制多硫化物穿梭并加速氧化还原动力学。

三、 关键实验结果

1. 吸附与催化性能：
   • 可视化吸附实验与UV/Vis证明，NC@CoNiFe/CNTs 对多硫化锂（Li₂S₆）的吸附能力远强于纯CNTs。
   • Li₂S 成核实验显示，该材料电极的 Li₂S 沉淀容量更高（647.7 vs 510.6 mAh g⁻¹），表明其能有效催化多硫化物向固相 Li₂S₂/Li₂S 转化。
2. 电化学性能：
3. 硫载量为 3.8 mg cm⁻² 时，0.5C 下初始放电比容量为 785.4 mAh g⁻¹，240 圈后仍能保持 572.4 mAh g⁻¹（保持率 72.9%）。
4. 高硫载量 8.9 mg cm⁻² 时，面积容量达 8.89 mAh cm⁻²，100 圈后维持 7.24 mAh cm⁻²。
5. 改性隔膜的离子电导率（1.22 mS cm⁻¹）显著高于原始 PP 隔膜（0.17 mS cm⁻¹）和纯 CNTs 改性隔膜（0.41 mS cm⁻¹）。

四、 机理解析（结合文中图3、图5等）

• 结构表征（图3）：TEM 与元素映射显示 CoNiFe 合金纳米颗粒均匀分布在 CNTs 网络中，且被氮掺杂碳层包覆；晶格条纹对应 CoNiFe (111) 面与 CNTs (002) 面。

 

• 吸附与动力学（图5）：NC@CoNiFe/CNTs 使 Li₂S₆ 溶液脱色，UV 峰强显著降低；电化学阻抗与 CV 表明电荷转移电阻更小、极化更低，多硫化物转化动力学更快。
• 循环后分析：循环后的锂负极表面更平整，说明多硫化物对负极的腐蚀被有效抑制；XPS 证实吡啶氮与合金组分参与了多硫化物的吸附/固定。

五、 结论
     通过构建氮掺杂碳包覆三金属 CoNiFe 合金纳米颗粒修饰碳纳米管的杂化涂层改性隔膜，综合发挥了物理限域、化学吸附与催化转化的协同作用，显著提升了锂硫电池在高硫载量下的循环稳定性与倍率性能，为高性能锂硫电池隔膜设计提供了新思路。
https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110552

转自《石墨烯研究》公众号