北大黄富强/李国宝EES: ZnO/ZnS异质结构作为稳健/大容量的储锂负极！

在各种锂离子电池（LIBs）负极材料中，转化合金型金属氧化物（或硫化物）因其较高的理论容量而备受关注。然而，合金化过程中活性金属的体积膨胀会产生不可逆的转化反应。通过金属氧化物与硫化物偶联设计的异质结构负极具有丰富的界面，促进了电子转移并改善了表面反应动力学，但对提高其倍率和循环性能的界面效应机制尚未深入研究。

图1. ZnO/ZnS异质结构的设计合成及表征

在此，北京大学黄富强教授、李国宝副教授等人利用金属硫化物原位部分转化为具有高晶格匹配的氧化物来设计ZnO/ZnS异质结构，以了解界面对LIB负极大容量和高可逆Li存储的影响。具体而言，作者首先以醋酸锌（ZnAc₂）为锌源，升华的硫粉为硫源，聚乙二醇（PEG）为辅料制备ZnS:OH前驱体。然后，将ZnS:OH纳米点在Ar气氛下600 °C下退火以制备ZnO/ZnS异质结构。得益于快速的界面Li传输和反应动力学，ZnO/ZnS界面可通过重复循环转变为均匀的ZnO_xS_1-x纳米点。

DFT计算表明，氧硫化锌具有优化的Li吸附性能，可加速电极反应。同时，由此产生的Li₂O/Li₂S基底与LiZn纳米点的集成提供了更多的Li⁺锚定位点并改变了电荷再分布，从而促进了界面Li存储。

图2. ZnO/ZnS负极界面锂吸附的理论计算

因此，ZnO/ZnS异质结构在0.1 A g^-1下循环100次后提供1213 mAh g^-1的容量，即使在2 A g^-1下循环1300次后容量仍保持为920 mAh g^-1，这表明ZnO/ZnS是用于高能量/功率密度LIB的有前途的替代负极。此外，组装的具有ZnO/ZnS负极和高压（4.5 V）LiCoO₂正极的纽扣型全电池最大能量密度可达约285 Wh kg^-1，且在2 C下200次循环后容量仍达84.8 mAh g^-1，对应81.9 %的容量保持率。

甚至，基于ZnO/ZnS负极的软包电池在2 C下提供103.5 mAh的容量，并在300次循环后保持88.4 mAh（容量保持率为85.4%）。因此，这种纽扣型和软包全电池进一步显示出出色的电极稳定性和兼容性。总之，这项研究揭示了异质结构负极中的相重构和潜在界面Li存储机制，并为设计LIB高容量负极开辟了新途径。

图3. 纽扣及软包全电池的电化学性能

Interfacial lithium absorption enhanced ZnO/ZnS heterostructure for robust and large-capacity energy storage, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00050D

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北大黄富强/李国宝EES: ZnO/ZnS异质结构作为稳健/大容量的储锂负极！

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