V3 S4 /碳纳米纤维协同吸附-电催化作用提升锂硫电池性能的研究

　　为解决锂硫电池(Li-S batteries)中多硫化锂(LiPSs)穿梭效应和氧化还原动力学缓慢的问题，研究人员设计了一种V3 S4 /碳纳米纤维(CNF)夹层材料。该材料通过物理/化学吸附固定LiPSs，同时利用V3 S4 的催化活性加速硫转化反应，使电池在1C倍率下循环700次后仍保持657.7 mAh g?1 的容量，衰减率仅0.056%/循环。该研究为高稳定性锂硫电池开发提供了新思路。

　　

锂硫电池(LSBs)因其高达2600 Wh kg^?1
的理论能量密度和1675 mAh g^?1
的比容量，被视为下一代储能技术的希望之星。然而这匹"千里马"却被两根缰绳束缚着：一是多硫化锂(LiPSs)在电解液中的溶解扩散导致的"穿梭效应"，二是硫转化反应迟缓的动力学特性。这两个问题共同导致电池容量快速衰减、循环寿命大幅缩短。传统解决方案如碳材料夹层虽能物理吸附LiPSs，但非极性碳与极性LiPSs间的弱范德华力难以根治问题；而过渡金属硫化物虽具强化学吸附能力，却常因导电性不足成为电子传输的"瓶颈"。

黑龙江某高校团队在《Journal of Energy Storage》发表的研究中，创新性地将三维NiAs型晶体结构的V₃
S₄
与一维碳纳米纤维(CNF)复合，制备出具有"吸附-电催化"双功能的夹层材料。研究人员采用水热合成结合静电纺丝技术，先制备VS₂
前驱体，再与聚丙烯腈(PAN)混合纺丝并碳化，最终通过精确控温退火获得V₃
S₄
/CNF复合材料。

Results and discussion部分揭示：V₃
S₄
的3D晶体结构中嵌入的额外钒原子创造了更多活性位点，X射线光电子能谱(XPS)显示V³⁺
/V⁴⁺
氧化还原对可加速LiPSs转化。电化学测试表明，该材料使Li₂
S成核过电位降低至98 mV，锂离子扩散系数提升3个数量级。透射电镜(TEM)观察到CNF形成的导电网络像"高速公路"般加速电子传输，而V₃
S₄
纳米颗粒则如同"收费站"般高效捕获并转化LiPSs。

Conclusions部分总结：V₃
S₄
/CNF夹层实现了三重协同效应——CNF的导电网络解决电荷传输瓶颈，V₃
S₄
的强极性吸附抑制穿梭效应，金属性导电特性加速氧化还原动力学。这使得电池在1C倍率下初始容量达1080.8 mAh g^?1
，700次循环后容量保持率60.8%，每循环容量衰减仅0.056%。该研究不仅为LSBs界面工程提供新思路，其"导电骨架+催化中心"的设计范式也可拓展至其他金属-硫电池体系。

这项工作的突破性在于：首次将具有Peierls畸变特性的V₃
S₄
与CNF复合，利用V₃
S₄
的3D离子通道增强锂离子传输，其金属导电特性克服了传统金属硫化物的绝缘缺陷。研究者通过调控V/S化学计量比，在原子尺度优化了d带电子结构，使材料兼具"锚定"和"转化"双功能，为开发高能量密度、长循环寿命的储能器件开辟了新途径。