蒋建/李长明EEM：三合一功能化导电陶瓷实现安全实用的锂硫电池正极！

在锂硫电池的正极中使用多孔碳主体可以分散硫活性物质并抵消其较差的导电性。然而，这样的主体反过来会将多余的电解液溶剂吸收到硫未填充的区域，导致电解液过度消耗、比能量下降，甚至对电池设备造成安全隐患。

西南大学蒋建、李长明等提出通过替换使用功能化的In掺杂SnO₂(ITO)陶瓷与 S@polypyrrole(S@PPy)耦合来最小化总碳含量，以实现更实用/安全的Li-S电池正极。

图1 ITO纳米陶瓷三合一功能示意图

ITO纳米粒子在改善S正极行为方面具有独特的“三合一”功能：

首先，它们具有显著的导电性(~10⁴ S cm^-1)，这是因为它们具有特殊的能带结构（将In原子掺杂到氧化锡晶格中会在ITO中形成丰富的空穴），能够取代传统的碳框架并用作导电剂，这使得正极中的总碳含量降至极低的质量比（~3%），从而提高电极振实密度，避免电解液过度使用。

其次，ITO极性材料（富含正空穴）可以通过强静电吸附或形成Sn-S键来捕获带负电的多硫化锂(LiPS)分子。此外，它们具有小于10 nm的典型尺寸和大比表面积，因此，会暴露大量的吸附位点，以促进固态Li₂S₂/Li₂S的沉积/成核，并抑制LiPS穿梭。ITO的超细特性也有利于将S活性物质和聚合物粘结剂分散在浆料中，从而在Al集流体上形成均匀/粘结薄膜。

第三，部分掺杂的In原子可以与LiPS相互作用形成亚稳态中间体，催化加速S基活性物质的液固相转化，从而缓解LiPS穿梭。此外，ITO陶瓷（在1630°C以上熔化）具有固有的热稳定性和不可燃性，它们的使用可大大降低复杂工作条件下的正极燃烧风险。此外，封装离散S纳米球的弹性和离子导电PPy层可以很好地缓冲S体积膨胀引起的应力，促进Li⁺深度渗透，从而加速氧化还原转化并防止LiPS扩散和损失。

图2 电解液润湿性、阻燃性能以及S@PPy-ITO正极的应用优势示意图

受益于上述优势，S@PPy-ITO正极具有高振实密度（1.54 g cm^-3）、较少的电解液用量（4 uL mg^-1）、良好的阻燃安全性和出色的锂存储行为。在无LiNO₃的贫电解液中运行时，这种多功能正极表现出快速的氧化还原反应动力学和显著的电池性能，在0.1 C和高面积质量负载下显示出940.6 mAh g^-1的大容量、良好的速率性能和优异的循环稳定性（容量衰减率：每循环约0.09%）。

这项工作不仅为构建稳定、安全的锂硫电池正极提供了一条简单可行的途径，而且朝着下一代高能器件迈出了一步。

图3 电化学性能

Minimizing Carbon Content with Three-in-one Functionalized Nano Conductive Ceramics: Toward More Practical and Safer S Cathodes of Li-S Cells. Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12354

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