核壳结构钴硫化物集成纳米纤维的理性设计及其在高性能锂硫电池中的应用

为解决锂硫(Li-S)电池中多硫化锂(LiPSs)的"穿梭效应"和低电化学转化效率问题，研究人员通过模板法和水热法设计了一种集成二氧化钛修饰碳纳米纤维、中空碳层和钴硫化物(CoS)纳米片的核壳结构(TCF@C-CoS)。该材料通过物理限域、极性吸附和催化转化的协同作用，实现了1036.56 mAh g?1的高初始比容量和0.04%的超低循环衰减率，在7.30 mg cm?2高硫载量下仍保持6.15 mAh cm?2的面容量，为高能量密度储能系统提供了创新解决方案。

　　

锂硫电池因其1675 mAh g^?1的理论比容量和2600 Wh kg^?1的能量密度，被视为下一代储能技术的战略选择。然而，硫及其放电产物(Li₂S_n, 2≤n≤8)的绝缘特性、多硫化物的溶解迁移以及80%的体积膨胀效应，导致电极导电性差、活性物质流失和结构坍塌等问题。特别是"穿梭效应"引发的快速容量衰减，严重制约了其实际应用。传统碳基材料虽能改善导电性，但对极性多硫化物的吸附能力不足；而金属化合物虽具催化潜力，却面临导电性差或界面兼容性问题。如何协同解决导电网络构建、多硫化物锚定和氧化还原动力学调控这三大挑战，成为突破锂硫电池技术瓶颈的关键。

郑州大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过硬模板法和水热法构建了钛氧化物修饰碳纳米纤维@中空碳-钴硫化物(TCF@C-CoS)的三维核壳结构。该工作首先采用静电纺丝制备TiO₂/碳纤维(TCF)基底，通过SiO₂模板和树脂涂层形成中空结构，最后水热生长CoS纳米片。材料表征包括SEM、TEM观察形貌，XRD、XPS分析组分，BET测试比表面积。电化学测试采用CR2032纽扣电池，评估倍率性能、循环稳定性及高硫载量下的表现，并通过对称电池和吸附实验验证催化机制。

Materials synthesis and characterization
TCF@C-CoS的制备过程显示，静电纺丝得到的TCF纤维直径约500 nm，经SiO₂模板和碳化后形成均匀的中空通道（壁厚≈50 nm）。CoS纳米片以花瓣状形态垂直生长在碳层表面，比表面积达487 m² g^?1，提供丰富的活性位点。XPS证实Co²⁺和S^2?的电子态有利于LiPSs的化学吸附。

Electrochemical performance
在1C倍率下，TCF@C-CoS电极展现1036.56 mAh g^?1的初始容量，500次循环后仍保持86.4%的容量，衰减率仅0.04%/次。即使在7.30 mg cm^?2的高硫载量和6.23 μL mg^?1的贫电解液条件下，80次循环后面积容量仍达6.15 mAh cm^?2，显著优于对比样品。CV测试显示更小的极化电压（0.21 V），表明CoS有效加速了液-固转化动力学。

Mechanism analysis
同步辐射和吸附实验证实，TiO₂通过Ti-S键合固定LiPSs，而CoS的d-电子轨道可活化S-S键。原位XRD观察到Li₂S的快速成核，证明催化作用降低了反应能垒。中空结构不仅缓冲体积变化，其分级孔隙（2-50 nm）还实现了电解液浸润与离子传输的平衡。

Conclusion
该研究通过理性设计TCF@C-CoS核壳结构，实现了三大功能协同：1）TiO₂/碳纤维骨架保障机械稳定性；2）中空碳层优化电荷传输；3）CoS纳米片催化LiPSs转化。这种"限域-吸附-催化"三位一体策略，为开发高能量密度锂硫电池提供了新思路。软包电池测试验证了其产业化潜力，特别是在无人机、储能电网等需求高比能设备的领域具有应用前景。研究还启示，过渡金属硫化物的电子结构调控是进一步提升催化效率的关键方向。