鋰離子電池（LIB）是用于可再生能源的存儲(chǔ)裝置的重要組成部分，而儲(chǔ)量豐富且成本低廉的硫具有高達(dá)1675mAh/g的容量，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池電極材料的替代候選者之一。為了滿足電動(dòng)汽車和固定電網(wǎng)應(yīng)用，高硫含量厚電極（實(shí)現(xiàn)高容量）和高電流密度下的快速Li+傳輸是至關(guān)重要的，但高硫含量厚電極中不易出現(xiàn)有效的鋰離子通路，導(dǎo)致高硫負(fù)載正極只能在低電流密度下循環(huán)。所以想要獲得高倍率的鋰硫正極，減少鋰離子擴(kuò)散阻擋層可能是最直接也是最有效率的方法之一。

近日，電子科技大學(xué)熊杰、何偉東教授與蘇州大學(xué)晏成林教授首次將具有原子層間離子路徑的鋰蒙脫石（Li-MMT）材料引入高硫含量鋰硫電池，展現(xiàn)出出色的倍率性能。Li-MMT經(jīng)過處理后具有1nm以上的層間距，允許層間陽離子自由遷移和交換，且電解質(zhì)可有效地滲透到硫電極，并允許Li+無阻礙地運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)高效的離子擴(kuò)散且電池性能不再受電極載硫量的嚴(yán)重影響。當(dāng)與80％硫粉結(jié)合使用時(shí)（硫負(fù)載高達(dá)4mg/cm2），超寬層間路徑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使Li-MMT/S電極在1mA/cm2下實(shí)現(xiàn)865mAh/g的高比容量，在15mA/cm2的高電流密度下保持345mAh/g比容量。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，其Li+擴(kuò)散能壘僅有0.155Ev，且Li-MMT具有強(qiáng)的路易斯酸基吸附位點(diǎn)，從而可以有效吸附多硫化物，有效阻止多硫化物的穿梭。

圖1.a）具有層間分子空間的MMT和陽離子的骨架結(jié)構(gòu)。b）從MMT到Li-MMT的陽離子交換的示意圖。c）Li離子擴(kuò)散的能壘與Li-MMT的層間表面的示意圖，其遠(yuǎn)低于碳基電極中的擴(kuò)散勢(shì)壘。

圖2.鋰離子擴(kuò)散和電化學(xué)性能。a）Li-MMT/S電極在1.5-3.0V（vsLi/Li+）電壓窗口內(nèi)不同掃描速率（0.1-1.2mV/s）下的CV測(cè)試。b）IP/V1/2的值分別代表陽極氧化過程（IA），第一陰極還原過程（IC1）和第二陰極還原過程（IC2）的鋰離子擴(kuò)散能力。c）AB/S和Li-MMT/S電極穿梭電流與施加的恒電位充電電壓的比較。d）AB/S和Li-MMT/S電極的倍率性能。e）Li-MMT/S電極的長(zhǎng)循環(huán)性能。

圖3.Li-MMT/S電極的高電流密度循環(huán)分析。a,b）4mg/cm2硫負(fù)載AB/S和Li-MMT/S電極的恒流充放電曲線。c）載硫量和電流密度之間的相關(guān)性與已報(bào)道文獻(xiàn)比較。d）不同載硫量的電化學(xué)阻抗。e）Li-MMT/S電極在8mA/cm2下的長(zhǎng)循環(huán)性能，硫載量為5.2mg/cm2。f,h）電流密度分別為2和8mA/cm2時(shí)鋰金屬負(fù)極的的表面形態(tài)。g）鋰金屬在高電流密度下沉積的自愈原理圖。

圖4.理論計(jì)算。a）Li-MMT在各種多硫化物（Li2S，Li2S2，Li2S3，Li2S4，Li2S6和Li2S8）上的吸附構(gòu)象。黃色，紫色，品紅色，橄欖色和深藍(lán)色球分別代表硫，鋰，氧，硅和鋁原子。b）吸附結(jié)合能和總結(jié)合能的趨勢(shì)顯示出各種多硫化物的強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。c）分別暴露于AB，MMT和Li-MMT后，Li2S8溶液的UV可見光譜（350-700nm）。