DOI: 10.1016/j.cej.2023.143562

有效限制穿梭效应是提高锂硫电池电化学性能的关键。在此，通过静电纺丝和原位硫化策略，将初始WO₃纳米颗粒与硫化产物WS₂相结合，合成了WO₃-WS₂异质结构。研究发现，所获得的双功能异质结构增强了电解质的润湿性，优化了中间体调节性能，加速了Li⁺/e^-的扩散，从而在锂硫电池中表现出优异的电化学性能。通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，WO₃-WS₂异质结构被认为是一种具有多种优势的耦合创造性解决方案。与使用单组分或单构型催化剂的电池不同，采用制备的WO₃-WS₂异质结构的锂硫电池表现出协同增强的电化学性能和高温抗压性。即使在恶劣条件下，包括高硫负荷（10.3mg/cm²）、贫电解质（5.8μL/mg）、高电流密度（7.0A/g），长时间循环（1600次循环）和高温（90℃），该代表性电池仍然具有稳定的循环性能。

图1.（a1-a3）WO₃纳米颗粒纤维、（b1-b3）3O₂S异质结构纤维、（c1-c3）2O3S异质结构纤维和（d1-d3）WS₂纳米片纤维的SEM、TEM、HR-TEM图像和相应的选区电子衍射（SAED）图谱，以及能量色散X射线光谱（EDS）。

图2.（a）WO₃纳米颗粒、3O2S和2O3S异质结构、WS₂纳米片纤维的XRD图谱以及（b-d）W4f、O1s和S2p XPS光谱。（e）24小时前后与合成材料混合的Li₂S₆溶液的数码照片。（f）合成材料吸附后Li₂S₆溶液的UV-VIS光谱。（g-l）（g-i）WO₃纳米颗粒和（j-l）3O2S异质结构纤维吸附Li₂S₆前后的W4f、O1s和S2p XPS光谱。

图3.（a,b）用WO₃、3O2S、2O3S和WS₂样品作为催化剂制备的Li₂S₆对称电池的CV和EIS图谱。（c）含WO₃@S、3O2S@S、2O3S@S和WS₂@S电极的锂硫电池的CV曲线。（d,e）具有不同正极的锂硫电池在循环前后的EIS曲线。（f）具有3O2S@S电极的锂硫电池在0.1至0.4mV/s的扫描速率下测量的CV曲线。（g）具有不同正极的锂硫电池在0.2A/g下的循环稳定性。（h）具有不同正极的锂硫电池在0.2、0.5、1.0、2.0和5.0A/g的电流密度下的倍率性能。

图4.（a）3O2S@PP隔膜的合成示意图。（b,c）3O2S@PP隔膜的俯视和横截面SEM图像以及EDS图谱。（d）电解质与商用PP或3O2S@PP隔膜的接触角。（e）正极和隔膜中都含有3O2S纳米纤维的锂硫电池的示意图。（f）不同配置的电池在0.2至7.0A/g的电流密度范围内的倍率性能。

图5.（a）具有3O2S@S+3O2S@PP配置的锂硫电池在0.2、0.5、1.0、2.0、5.0和7.0A/g的电流密度下的恒电流充放电曲线。（b）不同配置的锂硫电池的CV曲线和（c）循环稳定性。（d,e）具有3O2S@S+3O2S@PP配置的锂硫电池在不同硫负载和电流密度下的长时间耐久性试验。（f,g）3O2S@S+3O2S@PP电池在低电解质和高硫负载下的循环性能。（h）电流密度为2mA/cm²，容量密度为5mAh/cm²，具有3O2S@S+3O2S@PP或S+PP配置的锂-锂对称电池。

图6.（a,b）S8或LiPSs（Li2Sn，n=8、6、4、2和1）在WO₃（200）和WS2（002）上的优化吸附结构。原子色：W，灰色；O，红色；S，黄色；Li，绿色。（c）氧化还原反应过程中结合能的变化。（d,e）WO₃和WS₂的能带结构。虚线是费米能级。

图7.（a）3O2S@PP或PP隔膜在不同温度下的数码照片。（b）3O2S@S+3O2S@PP电池（黑色和红色线）和S+PP电池（绿色和蓝色线）在30℃、60℃和90℃下的循环性能。（c）3O2S@S+3O2S@PP电池在不同温度下的EIS曲线。（d-f）3O2S@S+3O2S@PP电池在0.1至0.4mV/s的不同扫描速率和不同温度下的CV曲线。（g-i）不同反应过程的峰值电流与扫描速率平方根之间的关系。