具有較高理論能量密度的鋰硫（Li-S）電池被認為是一種很有前途的下一代儲能系統。然而，同時高效利用硫正極和無枝晶鋰負極以實現商業可行性并非易事。在此，本研究制備了一種由N摻雜中空碳納米纖維組成的自支撐導電織物，其中原位植入有缺陷的Ru-RuO2-x，可同時用作硫正極和鋰負極的雙功能宿主。富氧空位摻雜的Ru-RuO2-x異質結構使周圍納米纖維具有豐富的活性位點，并巧妙地調整了費米能級附近的態密度（DOS）分布，促進連續再活化并提高集成電導率。此外，由中空納米纖維交織而成的復合材料具有較大的內部空間和獨特的三維框架結構。作為硫宿主，這種協同優勢有效增強了硫的固定化，使其適應體積膨脹并催化氧化還原反應。同時，精心設計的具有優異親鋰能力的鋰宿主可以促進均勻成核并抑制鋰枝晶生長，在鋰電鍍/剝離過程中于5mA/cm2較高電流密度下，可在400h內實現出色的穩定循環性能。基于上述優勢，Li-S全電池（表示為S/Ru-RuO2-x@NC||Li/Ru-RuO2-x@NC）在0.1C時具有5.8mAh/cm2的高面積容量，硫負載量為6.8mg/cm2。本文通過一系列的實驗分析和理論模擬，為異質結構合理調制以構建柔性耐用的鋰硫全電池提供了一個重要的缺陷工程策略視角。
圖1.（a）RuCl3@PAN，（b）RuCl3@PAN-O，（c）RuO2@PAN和（d）Ru-RuO2-x@NC的低倍（插圖為高倍）SEM照片；（e）釕基納米纖維形態演變的示意圖。
圖2.（a）Ru-RuO2-x@NC的低倍（插圖為高倍）TEM圖像，（b）HRTEM圖像，（c）FFT圖譜和IFFT晶格圖像，（d）晶格間距分布，和（e-i）高倍元素映射。
圖3.（a）24h后RuO2@PAN、RuO2-x@NC、Ru-RuO2-x@NC和Ru@NC吸附LiPSs的光學觀察及上清液的相應紫外光譜；（b）Li2S6和Li2S6-Ru-RuO2-x@NC復合材料的S2p高分辨率XPS光譜；（c）對稱電池的EIS光譜和（d）CV曲線；（e）使用RuO2@PAN、RuO2-x@NC、Ru-RuO2-x@NC和Ru@NC電極的Li2S沉積曲線。
圖4.（a）配備RuO2@PAN、RuO2-x@NC、Ru-RuO2-x@NC、Ru@NC和Cu箔的Li-Cu電池第一次循環中的鋰電鍍/剝離電壓曲線，以及（b）庫侖效率比較；裸Li和Li/Ru-RuO2-x@NC對稱電池在（c）1mA/cm2和1mAh/cm2，以及（d）5mA/cm2和5mAh/cm2下的循環性能比較。
圖5.（a）S/RuO2@PAN||Li/RuO2@PAN、S/RuO2-x@NC||Li/RuO2-x@NC、S/Ru-RuO2-x@NC||Li/Ru-RuO2-x@NC和S/Ru@NC||Li/Ru@NC全電池的EIS光譜，（b）倍率性能，以及（d）1.0C下的長期循環性能。（c）S/Ru-RuO2-x@NC||Li/Ru-RuO2-x@NC電池在不同電流速率下的電壓曲線；（e）S/Ru-RuO2-x@NC||Li/Ru-RuO2-x@NC全電池的充放電曲線，（f）倍率性能和（g）循環性能，硫負載量提高到4.1mg/cm2、5.4mg/cm2和6.8mg/cm2。
圖6.（a）RuO2@PAN、RuO2-x@NC、Ru-RuO2-x@NC和Ru@NC的XRD圖譜，（b,c）拉曼光譜，（d）Ru3d和（e）O1s高分辨率XPS光譜，（f）EPR光譜。
圖7.DFT計算結果：（a）d帶中心，（b）Li2S4和Li2S6在Ru-RuO2-x上的優化幾何構型，（c）Ru bader電荷分析，（d）LiPSs在RuO2、RuO2-x、Ru-RuO2-x和Ru上的結合能，（e）Ru-RuO2-x表面上LiPSs轉化的示意圖。
微信二維碼
