第一作者：张晋滔

通讯作者：楼雄文、高书燕

通讯单位：南洋理工大学、河南师范大学

研究亮点：

1. Ni/Fe LDH能够提供丰富的固硫活性位点。

2. 空心结构的构筑在一方面可以提供充足的载硫空间，另一方面可以有效缓解硫在充放电过程中的体积膨胀。

3. Ni/Fe LDH 壳可以在固定住其附近活性硫的同时限制内部多硫离子的扩散，保障在较高的硫载量的前提下实现超长的循环寿命。

      锂硫（Li-S）电池因其具有较高的能量密度，低成本，环境友好等优点，被认为是最具潜力的下一代电池。然而中间产物多硫离子的溶解和扩散不仅导致活性物质的流失，而且其在负极表面会发生很多不利反应。因此，控制多硫离子的溶解成为近几年锂硫电池研究中的热点。

      层状双金属氢氧化物（LDH）被报道具有显著的固硫优势。而空心的纳米结构因其独特的结构优势可以有效的控制多硫离子的扩散。

      有鉴于此，新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组报道了一种空心Ni/Fe LDH纺锤形多面体，作为S 的宿主材料，在保证比较高的硫负载量的同时，实现了超高的循环稳定性。

图1. S@Ni/Fe LDH的合成示意图

       该宿主材料制备工艺简单，研究人员用纺锤形的MIL-88A 作为前驱体，将其与尿素，硝酸镍分散在乙醇和水的混合液中，密封90度静置5个小时，即得到Ni/Fe LDH 的空心纺锤形多面体结构。该合成过程借助于尿素分解产生的OH^-， 一方面刻蚀MIL-88A，使之释放Fe³⁺离子；另一方面与Fe³⁺和Ni²⁺离子结合生成层状Ni/Fe LDH壳。

图2. Ni/Fe LDH的相关表征

      S通过熔化-扩散方法载入Ni/Fe LDH 空腔内，通过热重分析证实该复合材料中活性物质S的含量为70 wt%. 通过SEM，TEM, Mappings等表征发现大部分S都进入空腔内，并与Ni/Fe LDH 很好的复合在了一起。

图3. S@Ni/Fe LDH的相关表征

        在0.2 C放电倍率下，S@Ni/Fe LDH 复合正极在高达2.26 mg cm-²的面负载量下发挥出高达1091 mAh g^-1 (2.47 mAh cm^-2) 的储锂容量。在200次循环后仍然可以保持724 mAh g^-1的容量。在相同条件下，对比组S@Ketjen black具有同样高的初始比容量，但是在循环50次后，其容量迅速衰减，至115次循环时，容量已经衰减至616 mAh g^-1。此外，S@Ni/Fe LDH复合正极展示出优异的倍率性能和长循环稳定性。在0.5 C倍率下，能稳定循环1000次。

图4. 基于S@Ni/Fe LDH正极的Li-S电池的电化学性能

       总之，这种空心的Ni/Fe LDH固硫材料能使S与host之间进行更有效的接触，最大限度的发挥其在促进硫转化中的作用，得以把对多硫离子的限制作用发挥到极致，保证了电池良好的循环稳定性。

参考文献：

Jintao Zhang, Zhen Li, Ye Chen, Shuyan Gao,* and Xiong Wen (David) Lou* , Ni-Fe Layered Double Hydroxide Hollow Polyhedrons as A Superior Sulfur Host for Li-S Batteries, Angewandte Chemie-International Edition, 2018.

DOI:10.1002/anie.201805972. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201805972

作者简介：

       新加坡南洋理工大学楼雄文教授团队自成立至今，一直专注于新型纳米功能材料的开发及其在能源环境领域的应用，相关工作已在Science Advances, Advanced Materials, Angewandte Chemie-International Edition, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science, Nature Energy, Joule, Nature Communications 等业内顶级期刊上发表（参见其课题组主页http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/），引起了国内外学术界的广泛关注。