四硫化钒/钼复合石墨烯基锂硫电池正极材料电化学性能研究

为了提高锂硫电池电化学性能，针对其面临的多硫化锂穿梭问题，本文以还原氧化石墨烯(rGO)为生长基质，结合四硫化钒(VS4)与多价态钼(Mo)带来的吸附性能及硫空位修复优势，采用水热法制备了复合材料VS4/Mo@rGO作为锂硫正极材料中的载体组分，它不仅有更多的活性点位缓解穿梭效应，还能减少VS4本征硫空位的体积膨胀，为克制电解液中多硫化锂的溶解及极片失效粉化提供了较大帮助。通过熔融扩散法载硫后，该正极在负载量8 mg cm−2、0.3 C时首次放电915 mAh g−1，在10 mg cm−2负载电极的倍率测试中，其放电比容量中值仍有513 mAh g−1，整体倍率性能远高于rGO/S和CB@rGO/S。

锂离子电池(LIB)作为极具代表性的能源形式，已经涉及我们生活中的各个方面，尤其是在电动汽车(EV)与便携式设备领域。

然而， 由于理论容量的限制， LIB 已难以满足更高的能源需求(能量密度突破500 Wh kg−1)。锂硫电池(LSB)的出现，为打破这一僵局提供了新的解决思路。2600 Wh kg−1 的理论比能量以及1675 mAh g−1 的理论比容量，使得LSBs 成为了未来二次电池主要体系的有力候选者；其次，由于正极活性物质硫储量十分丰富，所以成本优势显著。并且，锂硫电池的反应物、中间产物以及生成物毒性低， 无污染， 对环境友好 [1] [2]。

然而， 锂硫电池同样面临诸多技术挑战。

活性物质硫及其放电产物(Li2S)的低导电性，导致电化学反应动力学缓慢，硫利用率低 [3] [4]。反应过程中多硫化物(LiPS)的相转变及其“穿梭”效应，导致锂金属腐蚀，容量衰减和库伦效率低下 [5] [6] [7]，以及充放电时体积变化大 [8]等问题，大大降低了其反应动力学。目前，LSB 的实际能量密度仍远低于理论值，伴随循环寿命短，活性物质负载量低，放电倍率低等问题，严重限制了其实际应用前景。

为了加快锂硫电池的产业化进程，研究人员重点从正极材料的角度入手，通过调节正极宿主结构， 增强活性物质导电性并缓解多硫化物的“穿梭”效应。通常，采用碳/硫复合正极材料，构建导电碳骨架。

碳材料具有优异的导电性能，超高的比表面积和高孔隙率，与硫形成复合正极材料后，可以显著提高硫的导电性，并对多硫化物具有一定的物理吸附作用。然而，传统的非极性碳材料与多硫化物进行物理吸附的结合能有限 [9]，因此在高硫负载和大电流下，无法有效缓解多硫化物的“穿梭”。研究表明，过渡金属硫化物(TMS)及其衍生物因其特有的极性吸附优势，利于实现锂硫电池高负载大电流的性能。

在本文的研究中，考虑将Mo 引入极性TMS——四硫化钒(VS4)，通过Mo 掺杂来修复VS4 中的本征硫空位。在这样的设计思路下，VS4 发挥极性作用的同时，由于本征硫空位修复，减小了电化学过程中的体积膨胀。而Mo 的引入，不仅填补了硫空位，还增加了催化S8 转化的活性位点，且多价态变化的Mo 离子对帮助LiPS 吸附有一定作用。随后，以VS4/Mo 为催化主体，将rGO 作为基底形成载体材料