应用成果

锂硫电池因其理论能量密度（2600 Wh/kg）远超商用锂离子电池，且硫资源丰富、成本低廉，被视为下一代高能储能器件的理想选择。然而，其产业化面临三重瓶颈：硫正极本征导电性差导致能量转化效率低下；多硫化物溶解穿梭引发活性物质流失与负极腐蚀；锂金属负极枝晶生长带来安全隐患。尽管研究者通过设计导电复合正极、极性界面修饰等策略取得进展，但单一功能材料难以协同解决正负极问题，且复杂制备工艺制约规模化应用。因此，开发兼具高导电性、多硫化物锚定与枝晶抑制能力的双功能集成材料，成为突破锂硫电池技术壁垒的关键。论文概要

该图展示了TiC/CC材料的合成路径及锂硫电池结构设计（图1a）。通过焦耳热法（60A电流/200s）在碳布表面原位生成TiC，高温（2700–2800°C）促使TiO₂碳热还原形成多孔结构。图1b阐明双功能基底作用机制：TiC/CC同时作为硫正极载体（红色区域）和锂金属负极宿主（银色区域），其多孔纤维结构为活性物质沉积提供三维空间，奠定了协同优化电极界面的基础。

材料结构表征证实TiC/CC的成功制备（图2a）。XRD谱图中36.3°、41.9°、60.9°的特征峰与立方相TiC（PDF#02-1179）的(111)、(200)、(220)晶面精确匹配。SEM图像（图2b）显示独特的多孔纤维形貌（比表面积1.33 m²/g），与光滑裸碳布（图S2）形成鲜明对比。硫负载后（图2d），纤维直径由8.2 μm增至15.6 μm，EDS元素映射（图2e）证实硫在TiC/CC表面均匀分布，结合TGA定量60%硫负载量（图S5），凸显材料优异的硫容纳能力。

锂负极电化学性能对比揭示TiC/CC的稳定性优势。对称电池测试中（图3a-b），Li/TiC/CC在10 mA/cm²高电流密度下循环2000小时仍保持17.9 mV低过电位，而裸锂电极迅速失效。倍率性能（图3c）显示其过电位随电流变化可逆调节（0.5→20 mA/cm²），裸锂则在5 mA/cm²时短路。性能雷达图（图3d）进一步表明该数据超越42-52号文献报道的同类材料，确立领域领先地位。

界面稳定性机理通过阻抗与形貌分析阐明。EIS谱图（图4a）显示Li/TiC/CC界面电阻经50次循环稳定于7 Ω，而裸锂电极（图4b）在100次循环后阻抗剧增至78 Ω，表明TiC诱导形成稳定SEI膜。SEM图像（图4c-d）直接验证：裸锂表面随电流增大（1→5 mA/cm²）出现枝晶和孔洞，而TiC/CC电极始终保持致密锂沉积，归因于多孔结构均化离子流并降低局部电流密度。

全电池性能验证多级协同机制。UV-vis光谱（图5a）显示TiC/CC浸泡后Li₂S₆在400-500 nm特征吸收峰消失，证实Ti d轨道通过Ti-S键锚定多硫化物。CV曲线（图5b）中S/TiC/CC||Li/TiC/CC电池还原峰电流最高且极化最小，反映增强的反应动力学。倍率测试（图5c）显示0.1C容量达1274.1 mAh/g，2C下仍保持236.7 mAh/g。长循环性能（图5e）表明500次循环后容量保持率63.5%（衰减率0.073%/循环），循环后电极SEM（图5f-h）显示负极无枝晶、正极硫分布均匀，印证结构稳定性。