【摘要】 本文揭示氧化钨水合物/PVP/硫核壳空心粒子在锂硫电池中的应用。通过胶体涂层-共沉淀法制备的正极材料，首次放电容量达856mAh/g，50次循环容量保持率70%，有效解决多硫化物溶解及体积膨胀问题。

随着便携设备与电动汽车对高能量密度电池的需求激增，传统锂离子电池（LIB）已接近理论容量极限。为此，​锂硫电池​（Li-S）凭借其2600Wh/kg的理论能量密度和硫的环境友好特性，成为下一代储能系统的热门候选。然而，硫正极的低电导率（25℃时5×10⁻³⁰ S/cm）及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”，严重制约了电池的循环寿命和实际应用。

 

核壳结构创新方案

本研究通过胶体涂层-共沉淀法制备了新型核壳空心硫粒子：以氧化钨水合物（WO₃·H₂O）​​ 为外壳，​聚乙烯吡咯烷酮（PVP）​​ 为中间层，硫为核心（图1）。该设计通过三重协同机制解决关键问题：

1.​PVP缓冲层​：缓解充放电过程中80%的硫体积膨胀

2.​氧化钨外壳​：物理阻隔多硫化物溶解，抑制穿梭效应

3.空心结构​：加速电子/离子传输，提升反应动力学

图1. (a) PVP 包覆的空心硫颗粒、(b) 用水清洗以去除 PVP 涂层的 PVP 包覆的空心硫颗粒和 (c) 核壳空心硫颗粒的 S-M 图像【1】。

 

电化学性能验证

在100mA/g电流密度下，该正极材料表现优异：

  • 首次放电/充电容量：856/867 mAh/g
  • 50次循环后容量保持率：70%
  • 库伦效率稳定维持于99.5%以上

对比实验表明，核壳结构比纯硫电极的容量衰减率降低46%，证实氧化钨涂层与PVP界面层的协同效应显著提升了硫正极稳定性。这种可调控的核壳设计为高能量密度电池材料开发提供了新方向。

 

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