氧掺杂MoSe2中电子陷阱态工程促进高效多硫化物转化用于宽温域锂硫电池

《Matter》：Electronic trap-state engineering in oxygen-doped MoSe2 for efficient polysulfide conversion toward wide-temperature lithium-sulfur batteries

　　

进展与潜力

开发能够同时固定多硫化锂（LiPSs）并加速其氧化还原转化的硫宿主材料是实用化锂硫电池的核心挑战。本研究表明，非金属氧掺杂可以在不牺牲其层状结构的前提下重构二硒化钼（MoSe₂）的局部电子结构。替代型氧原子及相关硒空位产生了互补的浅电子陷阱态和深电子陷阱态，提供了一个可调节的平台，将多硫化锂结合、电荷转移、锂离子（Li⁺）传输以及硫化锂（Li₂S）成核/分解耦合在一起。这一机制将催化宿主材料的设计从单纯最大化吸附强度或电导率转向控制局域电子态的能量和功能。陷阱态工程可推广到其他过渡金属硫族化合物和丰富的缺陷催化界面，其中掺杂剂、空位和局部配位可以被故意配对以调节中间体的结合能和反应势垒。除了改善室温循环性能外，在 0°C 到 60°C 范围内的稳定运行表明该电池在变温环境中具有应用前景。未来的工作应建立可规模化、成分可控的合成方法；在贫电解质、高负载软包电池条件下验证该机制；并评估氧衍生配位基团的长期稳定性。更广泛地说，这项工作为需要同时控制可溶性中间体和多步转化动力学的储能系统提供了一种电子结构设计原则。

亮点

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氧掺杂产生互补的深陷阱态和浅陷阱态

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陷阱态将强多硫化锂锚定与快速催化转化相结合

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MoSe₂ 使锂硫电池在 0°C 到 60°C 范围内实现持久运行

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原位拉曼光谱和电化学阻抗谱揭示了快速且可逆的多硫化物化学

摘要

锂硫电池面临硫氧化还原反应迟缓和多硫化锂（LiPS）穿梭效应的问题。在此，我们开发了具有电子工程陷阱态的氧掺杂二硒化钼（O-MoSe₂）作为多功能硫宿主材料。像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）、电子顺磁共振（EPR）和 X 射线吸收精细结构（XAFS）揭示了丰富的硒空位和 Mo-O 配位，证明了缺陷 - 掺杂诱导的局部电子重构。密度泛函理论（DFT）计算表明，氧掺杂降低了 Mo 4d 反键 e_g 轨道的占据程度，使其接近半充满构型，从而产生互补的深陷阱态和浅陷阱态。深陷阱态促进电子转移和 Li₂S 分解，而浅陷阱态通过 Mo–S 和 Se–Li 相互作用增强多硫化锂锚定。原位拉曼光谱和分布弛豫时间（DRT）分析证实了加速的多硫化锂转化和硫氧化还原动力学。因此，O-MoSe₂/S 正极在 1C 倍率下经过 1,000 次循环后仍保持 480 mAh g^?1 的容量，在 5C 倍率下提供 660 mAh g^?1 的容量，并在 0°C 到 60°C 范围内稳定运行。

图形摘要