摘要
能源问题是人类社会面临的重大问题。为了加快能源转型实现碳中和，先进的储能系统在新型能源技术发展中愈发得到重视。锂硫电池作为极具发展潜力的绿色储能系统之一，理论能量密度高达2600Wh?kg-1，在移动电子电子设备、交通运输、航空航天等领域都具有广阔的应用前景。然而其目前的发展受限于两大关键问题：（1）基于氧化还原反应机理的锂硫电池中硫物种转化过程中缓慢的动力学问题；（2）电池循环过程中可溶性的多硫化锂在正负极之间迁移引起的穿梭效应问题。这造成了电池的容量衰减快和库伦效率低等问题。为了解决上述的问题，在电池正极侧和隔膜之间引入具有对多硫化锂吸附和催化作用的功能层是针对性解决方案。本文开发了两种新型锂硫电池的隔膜功能层铁基复合材料并分析研究了其对锂硫电池性能的提高作用。主要内容如下： （1）采用MOF合成包覆的策略，以MoO3为前驱体，包覆Fe-ZIF，通过后续的空气中煅烧形成了N掺杂的MoO3修饰的Fe2(MoO4)3纳米棒(N-MoO3@Fe2(MoO4)3)。MoO3组分主要有助于吸附并确保导电性，而Fe2(MoO4)3组分用于进一步提高催化活性。氮掺杂增加了材料的极化，从而提高了吸附能力。在这些组分互相协同作用下，N-MoO3@Fe2(MoO4)3涂层展现了较好的吸附和催化能力，实现了LiPSs的有效吸附和硫物种之间的快速转化，表现出超高的初始容量（0.1C时1601.4mAh?g-1的容量）和良好的循环稳定性（1C循环600次容量稳定在642.5mAh?g-1）。 （2）核-褶-壳结构的FeS2嵌入N掺杂碳（FeS2-NC）纳米笼是通过席夫碱缩合制备的铁络合物的热解和随后的硫化处理合成的，这种材料应用于锂硫电池隔膜功能层实现了高效的多硫化物捕捉和催化。内部分格空间的氮碳框架不仅在物理上限制了多硫化物（LiPSs），还与高极性化合物FeS2共同形成了高速电子-离子传输网络，为LiPSs的快速氧化还原反应提供了丰富的化学吸附和催化活性中心。理论计算进一步证实了FeS2对Li2S6和Li2S8都有很强的吸附能，原位拉曼分析也揭示了FeS2和LiPSs之间的相互作用。此外，具有超轻功能层修饰隔膜（负载量：0.2mg?cm-2）的纽扣电池具有在0.1C电流密度下1613.6mAh?g-1的超高初始容量。1C电流密度下循环600圈后仍然能稳定输出652.3mAh?g-1的容量，每圈衰减率为0.049%。即使是高硫负载(2.73mg?cm-2)的软包电池，在0.4C时也能释放出2.38mAh?cm-2的持久高面积容量。
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