锂硫电池作为新一代高能量密度储能器件的代表具有良好的开发前景。然而,多硫化物的穿梭效应成为制约其发展的巨大障碍。加速多硫化物还原转化是抑制穿梭效应的关键。设计具有高催化活性的中间隔层是抑制穿梭效应的重要策略之一。将高活性金属硫化物,如Co9S8,与碳材料有机结合是实现高性能中间隔层的重要途径。但是,如何兼顾活性纳米粒子高负载和碳基体高表面积/高电导率是目前此类中间隔层研发面临的重要挑战。
近日,我院无机非金属材料工程专业2022级本科生王茜依托天津市大学生创新创业训练计划(“大创”)项目重点项目《核(炭/石墨烯)@壳(硫化钴/多孔炭)纳米纤维的制备与多硫化物催化转化研究》(项目编号:202210058043),以第一作者身份在能源领域国际知名期刊《Journal of Energy Storage》(IF=9.8,JCR Q1区期刊)上发表了研究论文:Hybrid nanofibers with graphene/carbon as the core and microporous carbon rich in Co9S8 nanoparticles as the shell used as the interlayer for lithium sulfur batteries (Journal of Energy Storage, 2025: 137(30), 118489)。该工作基于同轴静电纺丝技术设计制造了一种内核为碳/石墨烯、外壳为高孔隙Co9S8/C复合材料的新型碳基纳米纤维(图1)。此新型结构兼具多重功效:其一,碳/石墨烯内核确保了纤维内部电子高速迁移;其二,多孔壳层既保证了多硫化物的高效物理吸附,又提供了大量的固液反应界面;其三,壳层中分布的大量Co9S8纳米颗粒既强化了对多硫化物的化学吸附,又供应了充足的高活性催化位点(图2)。测试结果表明,此碳基核壳纤维隔层对多硫化物穿梭效应表现出明显的抑制效果,进而显著提高了锂硫电池的比容量和循环寿命(图3)。另外,本工作还从理论上证实了Co9S8/石墨烯耦合的确对多硫化物转化展示出优异的催化活性(图4)。
图1 新型碳基核壳纳米纤维与纤维膜的制备流程图
图2碳基核壳纤维隔层抑制锂硫电池穿梭效应机理图
图3 碳基核壳纤维隔层助力锂硫电池提升电化学性能
图4 理论计算证实Co9S8/石墨烯耦合催化多硫化物吸附与转化
据悉,王茜同学自进入天津工业大学以来便对科研抱有浓厚兴趣,在材料科学与工程学院创新人才培养理念和学术导师制指引下,从大一伊始主动进入马昌老师实验室。王茜同学在课余时间将自己泡在实验室,不断尝试,反复钻研,历经近三年辛勤付出,最终以第一作者身份成功发表科研成果 (文章链接:https://doi.org/10.1016/j.est.2025.118489) 。
一直以来,材料科学与工程学院始终将本科生创新实践能力培养作为人才培养的核心抓手,扎实推进“创新人才”培养。近年来,学院本科生以第一作者身份在国际顶级期刊持续发表了多篇高水平学术论文,既是学院创新教育理念的生动实践,也彰显了学院创新人才培养的显著成效。
王茜,天津工业大学材料科学与工程学院无机非金属材料工程专业2022级本科生。中共党员,天津市大学生创新训练计划项目负责人,大一进入先进碳材料实验室,从事碳基储能材料的研究。曾获全国大学生金相技能大赛个人二等奖、中国国际大学生创新大赛市级银奖、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛市级铜奖,荣获天津市人民政府奖学金和桑麻奖学金三等奖、校长奖学金一等奖、校三好学生、校优秀共青团员等十余项荣誉,目前已保研至国防科技大学。
撰稿人:王茜,马昌 审稿人:刘晓辉