Nat. Commun.：基于同轴CNTs@TiN-TiO2海绵的长寿命高面积容量锂硫电池

异质结构的合理设计为锂硫电池中多硫化锂转化的理想催化剂体系开辟了新的机遇。然而，其传统的制备工艺复杂，难以合理控制各组分的含量和分布。

日本冲绳科学技术大学院大学Yabing Qi等人为合理设计异质结构，利用原子层沉积(ALD)方法制备了基于化学气相沉积 (CVD)制备的三维独立CNT框架的同轴CNTs@TiN-TiO₂海绵，以作为功能性硫载体。

图1 CNTs@TiN-TiO₂的制备过程及其多硫化物转化催化过程示意图

通过控制CNTs外表面TiO₂和TiN层的厚度，并结合退火后处理，由10 nm TiN 包裹5 nm TiO₂的CNTs杂化衍生的同轴CNTs@TiN-TiO₂海绵表现出优异的性能。相应的Li-S 电池在0.2 C下具有1431 mAh g^-1的高比容量，在2 C下循环500次后容量保持率高达 85%。

图2 多硫化锂的吸附实验及相应的XPS表征

性能提高的主要原因是TiN-TiO₂内的连续界面异质结构使TiO₂先吸附多硫化锂，然后很容易将多硫化物扩散到TiN中进行后续的电化学催化。同时，在高导电性碳纳米管的协同作用下，TiN有效地催化多硫化物转化为Li₂S₂/Li₂S。

此外，3D CNTs海绵的多孔结构和相互连接的导电通路有助于容纳大量硫并保证其有效利用。结果，基于同轴CNTs@TiN-TiO₂海绵的Li-S电池的面积容量高达21.5 mAh cm⁻²，远高于商业化锂离子电池的面积容量（4 mAh cm⁻²）。

图3 电化学循环性能

Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO2 sponge. Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-24976-y

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Nat. Commun.：基于同轴CNTs@TiN-TiO2海绵的长寿命高面积容量锂硫电池

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