Carbon Energy

研 究 背 景

锂硫电池因理论能量密度高达2675 Wh kg^-1、成本低廉且环境友好而备受瞩目。然而，硫物种本征导电性差、多硫化锂（LiPSs）穿梭效应及缓慢的硫氧化还原反应动力学等问题严重制约其实用化进程。更为严峻的是，上述挑战在极端温度下被显著放大：低温环境急剧抑制多硫化物转化动力学，导致比容量骤降与硫利用率不足；高温则加剧多硫化物溶解与穿梭效应，引发容量快速衰减和循环寿命缩短。因此，开发能够同时适应低温和高温环境的全气候锂硫电池，已成为当前储能领域的关键研究课题。

成 果 介 绍

昆明理工大学周江奇等人设计并合成了一种具有非对称Ti₁-O₅配位构型的钛单原子锚定还原氧化石墨烯（Ti-rGO）复合材料，并将其作为高效硫正极宿主催化剂。该材料独特的单原子配位环境可精准调控rGO的电子结构，优化的费米能级显著加速了电荷转移，同时增强了对LiPSs的吸附能与转化动力学；其二维多孔纳米结构则提供了物理屏障以抑制穿梭效应，并构建了开放框架促进硫物种的高效利用。基于Ti-rGO/S正极的锂硫电池在室温下展现出卓越的倍率性能（5C时容量达761 mAh g^-1）与超长循环稳定性（2C下循环1000圈后保持717 mAh g^-1，每圈容量衰减率低至0.018%）。即便在严苛的高硫负载（9.2 mg cm^-2）与贫电解液（E/S = 5.8 μL mg^-1）条件下，仍可获得10.65 mAh cm^-2的高面容量。尤为重要的是，该电池体系在-25°C至70°C的宽温度范围内均能保持稳定的循环性能，充分验证了其在极端环境下的应用潜力。

研 究 亮 点

本研究的核心创新在于精准构筑了非对称Ti₁-O₅单原子配位微环境。球差校正高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）与同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱证实，Ti原子以单原子形式均匀分散于rGO基底上，并与氧原子形成五配位结构。该构型通过调控rGO的电子性质，使其费米能级进入价带，由非金属性转变为金属性导电行为，功函数由4.04 eV提升至4.81 eV，从而显著增强界面电荷传输能力。实验与理论计算一致表明，Ti-rGO对LiPSs的化学吸附能显著优于纯rGO；在硫还原反应中，决速步（Li₂S₂向Li₂S转化）的吉布斯自由能从0.48 eV降至0.31 eV，Li⁺扩散能垒由1.57 eV降至0.75 eV，Li₂S分解能垒由1.47 eV降至0.92 eV，从吸附、转化、离子传输及固液相变多维度实现了反应动力学的全面增强。

图 文 解 析

研究团队通过系统的材料表征与电化学测试揭示了性能提升的内在机制。在材料结构确证方面（图1-2），化学吸附法成功将钛源锚定于rGO表面，SEM与TEM显示Ti-rGO保持超薄褶皱的二维片层结构；HAADF-STEM图中可见大量对应于Ti单原子的亮斑均匀分布，EDS元素映射进一步证实C、O、Ti元素的均匀分散。XRD与Raman光谱表明Ti引入后材料石墨化程度提升；Ti K-edge XANES与EXAFS拟合结果确认Ti处于+4价态，配位环境为Ti-O₅，小波变换（WT）图则排除了Ti-Ti键的存在，确证了Ti的原子级分散。

在吸附与催化动力学验证方面（图3），可视化吸附实验与UV-vis光谱表明Ti-rGO对Li₂S₆具有强效吸附能力，溶液在8小时内近无色；对称电池CV曲线显示Ti-rGO电极呈现清晰可逆的氧化还原峰，而EIS谱图证实其电荷转移电阻显著低于rGO。恒电位Li₂S沉积测试定量揭示Ti-rGO电极具有更快的成核速度（180 s vs 232 s）与更高的沉积容量（230 mAh g^-1 vs 185 mAh g^-1），溶解测试亦表现出更短的氧化电流峰出现时间（100 s vs 150 s）与更高的溶解容量（158 mAh g^-1 vs 103 mAh g^-1）；线性扫描伏安法（LSV）与Tafel分析进一步表明Ti-rGO电极的Tafel斜率（75 mV dec^-1）优于rGO（96 mV dec^-1），证实其降低了Li₂S分解反应势垒。

理论计算深入阐释了性能提升的电子结构根源（图4）。DFT计算显示，纯rGO具有0.3 eV的带隙，而Ti-rGO的费米能级进入价带，呈现金属性，导电性显著增强；静电势分布预测Ti-rGO的功函数大幅提升。差分电荷密度分析表明Ti-S与O-Li键区域存在显著的电荷转移与积累，证实强化学吸附作用。吉布斯自由能曲线显示各步硫还原反应能垒在Ti-rGO表面均有所降低，Li⁺迁移与Li₂S分解能垒的下降则从离子传输与固液相转化角度解释了动力学增强的本质原因。

在全电池与宽温域性能评估方面（图5-6），Ti-rGO/S正极在室温0.2C下初始容量达1282 mAh g^-1，倍率性能优异，高负载下仍保持典型的双平台充放电特征。在60°C高温条件下，0.2C循环150圈后容量保持率达84%；在更为严苛的70°C与2C条件下，电池初始容量为974 mAh g^-1，循环600圈后稳定在715 mAh g^-1，平均库仑效率超过99%，表明Ti-rGO有效抑制了高温穿梭效应。在-25°C低温条件下，0.2C循环120圈后容量保持率为73%，2C循环480圈后容量仍高于635 mAh g^-1；即便在高硫负载（9.1 mg cm^-2）与低E/S比（6 μL mg^-1）的低温工况下，仍可获得9.4 mAh cm^-2的初始面容量。循环后SEM形貌分析进一步证实，Ti-rGO/S正极保持完整的二维骨架结构且无硫聚集体残留，锂金属负极表面光滑、无枝晶生长，而rGO/S体系则出现明显的结构破坏与锂腐蚀现象。

研 究 小 结

综上所述，本研究通过构筑非对称Ti₁-O₅配位结构的单原子催化剂，成功实现了对rGO电子结构的精准调控，显著增强了材料对多硫化锂的化学吸附与催化转化能力。Ti-rGO/S正极依托二维多孔骨架的物理限域与单原子位点的化学催化协同机制，在室温高倍率、高负载贫电解液及极端高低温（-25°C至70°C）条件下均展现出优异的电化学性能与结构稳定性。该工作不仅为单原子催化剂在能源存储领域的应用提供了新的设计思路，更为开发面向极端环境应用的温度自适应锂硫电池奠定了重要的材料基础与实验依据。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Enabling Wide‐Temperature Range Li‐S Batteries viaAsymmetric‐Coordinated Titanium Sites‐ImplantedGraphene Single‐Atom Electrocatalysts

文章研究方向：

催化剂— —单原子催化剂

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70181

DOI: 10.1002/cey2.70181

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▲点击图片查看详情，投稿截止时间2026年12月31日

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 24.2

5-年影响因子 23

JCR分区 Q1

CiteScore 26.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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