Li₂S作为大容量含锂正极材料具有广阔的应用前景，可以替代金属锂构建下一代电池来取代现有的锂离子电池。然而，Li₂S正极材料存在活化电位高、倍率性能差、长周期容量衰减快等固有缺陷，这一直阻碍了Li₂S正极材料的发展。

有鉴于此，滑铁卢大学陈忠伟教授，俄勒冈州立大学纪秀磊教授，阿贡国家实验室陆俊教授报道了通过锂热还原反应合成了一系列Li₂S/过渡金属（TM）纳米复合材料，发现Li₂S基体中TMs的存在可以显著改变Li₂S的电化学行为。

文章要点

1）将Li粉与金属硫化物前驱体Ni₂S₃、FeS、CuS、CoS₂、MnS、ZnS、MoS₂、W_S2或TiS₂反应，合成了Li₂S/TM复合材料。不幸的是，在制备Li₂S/Ni、Li₂S/Fe和Li₂S/Cu复合材料的过程中，由于Li₂S和这三种金属之间的晶格失配，导致了Ni、Fe和Cu的团聚。而在Li₂S/Co、Li₂S/Mn、Li₂S/Zn、Li₂S/Mo、Li₂S/W和Li₂S/Ti中，TM纳米颗粒均匀分布在Li₂S基体中。

2）尽管结构相似，但这些Li₂S/TM纳米复合材料的电化学行为明显不同。Li₂S/W、Li₂S/Mo和Li₂S/Ti的激活电位从纯Li₂S的3.78 V降低到2.41、2.57和3.65 V。此外，与纯Li₂S相比，Li₂S/TM纳米复合材料的倍率性能和循环性能都有显著提高。在5 C下，Li₂S/W、Li₂S/Mo和Li₂S/Ti的容量可以维持在440 mAh g^-1左右。在长循环测试中，W、Mo和Ti的加入有助于在500次循环后保持582 mAh、546和491 mAh g^-1的容量，容量衰减率分别为0.068%、0.077%和0.091%。

3）研究发现，W、Mo或Ti的加入大大提高了Li₂S复合材料的电子和离子电导率，并通过TM-S键抑制了多硫化物的溶解，有效地解决了Li₂S正极的缺点。Li₂S/W和Li₂S/Mo具有已报道的固相锂离子导体中离子电导率的最高值，分别为5.44×10^-2和3.6 2×10^-2 S m^-1。

4）与Li₂S/W、Li₂S/Mo和Li₂S/Ti不同，在Li₂S基体中引入Co、Mn和Zn使可逆的Li₂S电化学途径变得不可逆，Li₂S只会氧化成多硫化物（PS），而不是S，最终产物中会发现相应的金属硫化物。因此，Li₂S/Co、Li₂S/Mn和Li₂S/Zn可以代替活性电极材料作为预锂化剂。

Zhenyu Xing, et al, Consolidating Lithiothermic-Ready Transition Metals  for Li₂S-Based Cathodes, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202002403

https://doi.org/10.1002/adma.202002403