近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并制備出一種氮化鈮-氧化鈮異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片，可同時(shí)作為鋰硫電池的正極與負(fù)極載體，有效地抑制了多硫化物的穿梭效應(yīng)和金屬鋰負(fù)極枝晶的生長(zhǎng)，應(yīng)用該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鋰硫電池在貧電解液、低負(fù)正極容量比、高硫載量條件下，展示出優(yōu)異電化學(xué)性能。
鋰硫電池具有高的理論能量密度，被視為高比能電池中最具潛力的鋰離子電池技術(shù)之一。然而，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用受到硫正極的多硫化物穿梭、氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢、負(fù)極鋰枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題的限制，造成鋰硫電池倍率和循環(huán)性能較差。此外，鋰硫電池中正極硫載量低和電解液用量大，以及負(fù)極金屬鋰過(guò)量的問(wèn)題會(huì)降低鋰硫電池的實(shí)際能量密度。因此，設(shè)計(jì)一種對(duì)多硫化物具有高吸附能力、高催化活性以及優(yōu)異親鋰性能的載體材料，能夠?qū)崿F(xiàn)鋰硫電池在高硫載量、貧電解液和低鋰負(fù)極用量下高效穩(wěn)定的循環(huán)，是突破鋰硫電池應(yīng)用瓶頸的有效方法。
鈮基異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片用于貧電解液鋰硫電池示意圖
近日，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)鋰硫電池存在的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸，制備出一種鈮基異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合了氧化鈮對(duì)多硫化物的強(qiáng)吸附能力和氮化鈮對(duì)多硫化物的高催化活性，并具有優(yōu)異的親鋰表面。該團(tuán)隊(duì)將其同時(shí)應(yīng)用于鋰硫電池的正極和負(fù)極載體，有效地提高了對(duì)多硫化物的吸附催化轉(zhuǎn)化能力，并可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。此外，基于該材料的正負(fù)兩極匹配得到成的鋰硫電池，在高硫負(fù)載量6.9mg/cm2、低負(fù)正極容量比2.4:1、電解液體積硫質(zhì)量比5.1 l/mg的條件下面積容量可達(dá)5.0mAh/cm2。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，為實(shí)現(xiàn)面向?qū)嵱没枨蟮母咝阅茕嚵螂姵仉姌O設(shè)計(jì)提供了新的思路。
相關(guān)研究成果以題為“Interfacial Engineering of Bifunctional Niobium (V)‐Based Heterostructure Nanosheet Toward High Efficiency Lean‐Electrolyte Lithium–Sulfur Full Batteries”發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。該工作的第一作者是大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組2016級(jí)博士研究生石浩東。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項(xiàng)目的資助。
