路易斯酸型Li2B4O7嵌入碳纤维做双功能阻挡层用于Li-S电池（链接关注微信公众号“谈碳录”）

锂硫电池以其极高的理论能量密度（2600 Wh·kg^-1）成为可能解决续航焦虑的二次电池。然而，将其应用于大规模商业用途仍然存在着几大难点。一是正极活性材料电导率很低，在提高锂硫电池的载量时，巨大的内阻将造成严重的极化。二是充放电过程中的体积膨胀，锂硫电池放电产物Li2S的密度约为硫的82.3%，在不断的充放电过程中，电池正极将经历不断地体积变化，会对电极结构造成破坏。三是放电中间产物多硫化锂溶于醚类电解液，在电场和浓度梯度的作用下，多硫化锂将穿梭至负极。这些问题将减慢锂硫电池反应动力学，活性物质利用率低，电池容量迅速下降等。为了解决以上问题，需要提高正极的导电性，缓解体积膨胀，以及控制穿梭效应。

日前，西安交通大学材料学院陈元振副教授团队基于静电纺丝技术，制备了Li₂B₄O₇嵌入型碳纤维膜，并将其应用于锂硫电池中间层，能有效提高锂硫电池的电化学性能。三维连续碳纤维导电网络降低了电池内阻，减弱极化现象；得益于无纺碳纤维结构，这种纤维膜能提供大量空间以容纳充放过程中的体积膨胀；此外，具有Lewis acid特性的缺电子性Li₂B₄O₇纳米颗粒对多硫化锂（Lewis base）具有一定的化学吸附作用，使得游离于电解液中的多硫化锂富集在碳纤维骨架参与反应。Li₂B₄O₇不仅具有缺电子性，在碳的还原作用下，还表现出氧空位的特征，这种电子缺陷对多硫化锂的转化具有催化和促进作用。

以LBO-CNF为中间层的锂硫电池，在高达5C的倍率下表现出644 mAh·g^-1的可逆比容量，在1C的长循环测试中可提供913.3 mAh·g^-1的初始比容量和0.068%的较低的衰减率。这种B系富电子缺陷纳米材料复合碳纤维的策略对缺陷材料的设计具有启发意义，可加速推广锂硫电池的商业应用。

该工作以题为“A dual-Functional Interlayer for Li-S batteries by using Carbon Fiber Film Cladded Electronic-Deficiency Li₂B₄O₇” 发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A 上。DOI:10.1039/D2TA04363G

图1. LBO-CNF的表面微观形貌

Li₂B₄O₇纳米颗粒附着于碳纤维表面，这种自支撑结构不需要额外粘结剂稳定功能性材料。在反应过程中，多硫化锂在Li₂B₄O₇的作用下迅速转化，电子在导电碳纤维骨架中快速传递，有利于提高反应动力学。

图2. LBO-CNF用于锂硫电池中间层的电化学性能

采用LBO-CNF为中间层的锂硫电池表现优异的倍率性能，在电流密度提高至5C时仍然可以提供644 mAh·g^-1的可逆容量，并且其放电曲线依然表现两个典型的放电平台。相较于CNF为中间层以及无中间层的锂硫电池，LBO-CNF的充放电平台电势差有明显降低，证明了其对电池极化现象的减弱作用。同时，电化学交流阻抗也证明这一点。在循环充放电测试中，无论是提高载量还是减少电解液用量，LBO-CNF都表现出较好的电化学性能。

图３. LBO-CNF对多硫化锂的吸附及自放电效应的抑制

LBO-CNF可将多硫化锂限制在正极侧，一方面提高活性材料的利用率，另一方面抑制多硫化锂的穿梭效应，防止对锂的腐蚀。紫外可见光吸收光谱及Li₂S₆溶液吸附实验显示，LBO-CNF能有效吸收电解液中的Li₂S₆，减少电解液中游离的多硫化锂。此外，不同循环次数下的电化学交流阻抗显示，LBO-CNF在多次循环充放电过程中均能有效稳定电池内阻，且电池极化无明显增加。在充电静置24h后，普通锂硫电池的放电容量和放电电位都有明显下降，自放电现象严重，而在LBO-CNF的参与下，电池的自放电现象得到明显抑制。

图4. Li₂B₄O₇的电子缺陷（氧空位，缺电子态）及DFT计算。

XPS及ERP测试证明了LBO-CNF中的氧空位的存在，在先前的研究中发现氧空位对锂硫电池中多硫化锂的转化具有催化作用。此外，Li₂B₄O₇中的[BO3]结构具有不饱和电子结构，B为缺电子状态，这种缺电子状态的电子缺陷赋予其Lewis acid特性，对具有Lewis base特性的多硫化锂具有化学吸附性。DFT计算结构显示，Li₂B₄O₇对Li₂S₄和Li₂S₆均具有化学吸附作用。

作者介绍

第一作者：戴欣

西安交通大学博士研究生，主要研究锂硫电池的改性及储能材料的研究，在Electrochimica Acta，CEJ，ACS AMI， JMCA等期刊发表论文数篇。

通讯作者：陈元振

副教授，西安交通大学，材料学院。主要从事先进功能碳材料、能量存储与转换和电化学催化的研究与开发，目前以第一/通讯作者在Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Nano Letters，ACS Nano等国际一流期刊上发表文章70余篇，并以第一发明人获得国家发明专利授权5余项，主持国家自然科学基金、省基金和企业课题项目8项。

主要研究方向： 碳材料基复合材料设计与制备及其在能源器件（超级电容器，二次电池，燃料电池）中的应用研究

先进功能碳材料的工业化应用与基础研究，主要包括：人造石墨，石墨烯粉体制备与功能化，超级活性碳（多孔碳材料），石墨烯微米管，柔性碳纤维纸；

能量存储与转换，主要包括：Li-S电池，锂离子电池，钠离子电池和超级电容器；

低温余热回收与发电系统研究，主要包括：浓差电池，烟气燃料电池，电化学脱硫脱硝技术

电化学催化，主要包括：氧还原反应（ORR）催化剂的制备与优化，裂解水催化剂制备与优化（OER 和 HER）。