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卡特蓄电池原子级铌掺杂介孔二氧化钛2作为高效稳定锂硫电池的多功能催化剂

来源：卡特蓄电池发布时间：2026-03-28 08:57:00 点击：次

基于其卓越的电化学性能，锂硫电池被视为储能系统中最具前景的候选技术之一。然而，严重的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学显著阻碍了其商业化进程。本研究创新性地构建了具有原子级铌掺杂（Nb-OMT）的高度有序介孔二氧化钛₂(OMT)材料作为双功能电催化剂，使锂硫(Li single bond

S)电池。密度泛函理论(DFT)计算证实，铌掺杂能有效增强介孔TiO2的电导率₂，促进多硫化锂(LiPSs)在材料表面的同步吸附与催化转化，从而加速硫氧化还原动力学。因此，采用Nb-OMT-20改性隔膜的Li single bond

S电池展现出1348.9 mAh g-1的卓越比容量⁻¹该锂硫电池在0.2C倍率下展现出优异的循环稳定性，同时在1C倍率下经历900次循环后仍保持超低容量衰减率（每循环仅0.036%）。值得注意的是，即使在5.12 mg cm⁻²的高硫载量%%与273 K的低温%%等严苛条件下，该锂硫电池仍能提供1146.1 mAh g⁻¹的可观容量 single bond

在0.1C倍率下容量保持率为83.4%，0.2C倍率下循环100次后仍保持稳定容量，展现出实际应用的广阔前景。本研究通过原子尺度结构调控开发双功能电催化剂的新策略，从而推动了锂工业应用的进程。⁻²S电池的潜力至关重要。 single bond

S battery still delivers a considerable capacity of 1146.1 mAh g⁻¹ at 0.1C with a capacity retention of 83.4% of its capacity over 100 cycles at 0.2C, suggesting promising potential for practical applications. This work presents a novel approach to developing bifunctional electrocatalysts through atomic-scale structural modulation, thereby advancing the industrial application of Li single bond

S batteries.

图形摘要

一种具有原子级Nb掺杂的高度有序介孔TiO被设计为双功能催化剂，用于增强多硫化锂的吸附并加速硫氧化还原转化。该材料在锂硫电池中的高效应用通过Nb掺杂有序介孔TiO（Nb/Ti=1/20）电池展现出的优异长期循环稳定性（在1C倍率下900次循环后，每循环容量衰减率仅为0.036%）得到验证。₂₂

引言

锂硫（Li

S）电池被视为满足各行业对高功率电池需求的最具前景的下一代储能系统之一。其快速发展得益于卓越的理论容量（1675 mAh g⁻¹）、高能量密度（2600 Wh kg⁻¹）与显著成本优势的完美结合[1]。Li single bond

S电池通过硫正极与锂负极之间的可逆氧化还原反应工作[2][3]。在充放电过程中，固态单质硫、可溶性Li₂以及固态锂_n/Li₂S电池[4]。然而，可溶性多硫化锂（LiPSs）引发的穿梭效应、迟缓的氧化还原动力学以及锂枝晶的生长，严重制约了锂₂S电池的循环寿命和整体比容量，同时也带来了安全隐患[5][6][7]。解决这些问题对于充分发挥锂₂S电池的潜力至关重要。 single bond

S batteries, while also raising safety concerns [5], [6], [7]. Addressing these issues is essential to unlocking the full potential of Li single bond

S batteries.
近年来，大量研究聚焦于开发功能性硫载体[8][9][10]、电解液添加剂[11][12]、锂负极表面工程[13][14][15]以及改性隔膜[16][17][18][19]，以应对锂硫电池体系中的多硫化物穿梭效应。 single bond

针对硫电池的研究旨在抑制多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应并改善硫反应动力学。功能隔膜的主要作用是在正负极之间建立高效屏障以阻隔LiPSs，并通过引入功能性催化组分加速转化过程[20]。过渡金属氧化物（TMOs）因其丰富的极性活性位点能实现对LiPSs的强化学吸附，已作为隔膜修饰材料在锂硫电池领域被广泛研究。 single bond

硫电池[21][22]领域备受关注。然而，其本征低电导率严重阻碍了电子传输效率，从而显著影响了多硫化锂的氧化还原转化动力学和总体利用率。为解决这一局限性，学界已投入大量研究以提升过渡金属氧化物（TMOs）的电导率与催化活性，主要策略包括构建复合材料[23][24][25]、缺陷工程[26][27]以及元素掺杂[28][29][30]。在这些方法中，元素掺杂已成为一种特别有效的策略，其不仅能提升体相电导率，还可调控催化位点的电子结构[31]。通过用定制掺杂剂取代主体阳离子或阴离子，局域电荷重分布和优化的d带中心位置可增强对LiPSs的吸附作用，更重要的是能加速液固转化反应过程中的界面电荷转移，从而促进LiPSs的高效催化转化[32][33]。
二氧化钛（TiO₂）作为一种典型的过渡金属氧化物，因其卓越的化学稳定性和对多硫化物的强亲和力而备受关注[34]。然而，其在储能系统中的应用受到电荷传输性能较差和带隙较宽等特性的限制[35]。因此，将TiO₂与高导电性碳基材料复合已成为当前研究的重要方向[36]。通过合理设计TiO₂通过表面/结构修饰策略开发基于单组分载体的材料以充分发挥其固有吸附优势，是先进材料开发领域的前沿创新研究方向。在保持晶格完整性的前提下，将杂原子掺杂剂战略性引入TiO2基体可增强电催化性能。其中最佳选择是n型掺杂剂铌(Nb)，因为Nb5+与Ti4+具有相似的离子半径，这表明Nb掺杂不会导致TiO2晶格发生显著畸变。₂%% %%⁵⁺晶格[37]。此外，铌的d轨道与多硫化锂链中硫原子p轨道的杂化显著增强了电催化剂的吸附能力[38]。最重要的是，铌与硫物种之间的键合作用削弱了硫链中的S-S键，显著降低了多硫化锂转化的能垒，从而加速了硫的氧化还原动力学[19][39]。⁴⁺S键₂链 single bond

S bonds in the S_n chains, significantly reducing the energy barrier for LiPSs conversion and thereby accelerating sulfur redox kinetics [19], [39].
本文通过逐步胶束组装和蒸发诱导自组装（EISA）策略合成了高度有序的介孔TiO2（OMT）。同时，以五氯化铌（NbCl5）为掺杂源，在TiO2表面实现了原子级Nb掺杂，建立了"吸附-催化转化"协同机制，该机制在Li-S电池循环过程中协同加速了多硫化锂（LiPSs）的氧化还原动力学。密度泛函理论（DFT）计算表明，Nb的取代₂%%₂%%₅对于Ti single bond

活性位点导致电子重新分布，同时填充导带和价带，从而显著提升TiO2的电导率。⁵⁺与此同时，Li2S分解能垒的降低显著增强了多硫化锂的转化动力学。⁴⁺电化学测试进一步表明，采用Nb-OMT-20改性隔膜的Li-S电池展现出最优异的电化学性能，首次放电容量达到1348.9 mAh g-1。₂在0.2C倍率下进行测试。经过1C倍率下900次长期充放电循环后，每循环容量衰减率仅为0.036%。即使在0℃的低温条件下，该电池在0.2C倍率下循环100次后仍能保持83.4%的容量保持率。综上所述，Nb掺杂有序介孔TiO₂作为双功能电催化剂，为提升锂 single bond

S电池的潜力至关重要。⁻¹ at 0.2C. After 900 cycles of long-term charge and discharge at 1C, the capacity decline per cycle is only 0.036%. Even under subzero conditions at 0 °C, the cells maintain an 83.4% capacity retention rate after 100 cycles at 0.2C. In summary, Nb-doped ordered mesoporous TiO₂, serving as a bifunctional electrocatalyst, offers a novel approach to enhancing the electrochemical performance of Li single bond

S batteries.

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