兼具化學(xué)吸附和轉(zhuǎn)化多硫化物的氮化釩/石墨烯復(fù)合電極

張 強(qiáng)

兼具化學(xué)吸附和轉(zhuǎn)化多硫化物的氮化釩/石墨烯復(fù)合電極

張 強(qiáng)

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084)

硫正極材料具有比現(xiàn)有商用鋰電池正極材料的容量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的理論容量，同時(shí)還具有成本低、儲(chǔ)量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于硫正極的高比能鋰硫電池是電化學(xué)儲(chǔ)能中最有前景的下一代電池體系之一1,2。如希望鋰硫電池能夠發(fā)揮其理論儲(chǔ)能特性，走向?qū)嶋H應(yīng)用，首先需要解決電極材料的高效利用問題。在硫正極這一側(cè)，硫和放電產(chǎn)物硫化鋰電導(dǎo)率極低；中間產(chǎn)物多硫化物會(huì)在充放電過程中形成的可溶性多硫化物；這種正負(fù)極間的穿梭效應(yīng)等會(huì)顯著影響電池的倍率性能和循環(huán)壽命。為解決這個(gè)問題，可以將多硫化物限制在碳基材料的孔隙或?qū)觾?nèi)，以防止多硫化物的溶解，抑制穿梭效應(yīng)3。然而，碳材料表面是非極性的，不能與極性的多硫化物形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。多硫化物極易從碳材料的孔隙中脫出，難以長時(shí)間有效抑制穿梭效應(yīng)。如能利用極性的金屬氧化物與多硫化物形成的化學(xué)相互作用來吸附多硫化物，則有望進(jìn)一步抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)4。遺憾的是絕緣的氧化物會(huì)阻礙電子和鋰離子的傳輸，降低硫的利用率和倍率性能。如何綜合兩者的特點(diǎn)、找到高導(dǎo)電的極性吸附材料就成為研究的核心。

圖1 兼具化學(xué)吸附和轉(zhuǎn)化多硫化物的氮化釩/石墨烯復(fù)合電極

中國科學(xué)院金屬研究所李峰研究組提出構(gòu)建具有化學(xué)錨定多硫化物的碳基復(fù)合材料電極的研究思路，可解決鋰硫電池中活性材料的高效利用問題。該研究團(tuán)隊(duì)將碳納米材料和具有化學(xué)錨定多硫化物功能的高導(dǎo)電金屬氮化物有機(jī)結(jié)合，一步水熱法將氮化釩納米帶負(fù)載在三維石墨烯基體上，以多硫化鋰作為活性物質(zhì)填充在石墨烯與氮化釩復(fù)合材料集流體的三維孔道中(如圖1所示)。

這種復(fù)合的正極結(jié)構(gòu)既充分利用石墨烯三維骨架和孔結(jié)構(gòu)，又結(jié)合高導(dǎo)電的極性氮化釩對(duì)多硫化物的化學(xué)吸附和轉(zhuǎn)化促進(jìn)作用，有效解決了由“穿梭效應(yīng)”帶來的容量衰減及庫倫效率低等問題，從而獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。相比石墨烯電極，氮化釩/石墨烯復(fù)合電極的極化更小、氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更快，顯示了較好的倍率和循環(huán)性能，在高能鋰硫電池的應(yīng)用中可能具有巨大潛力。同時(shí)，金屬氮化物是一個(gè)大家族，其高導(dǎo)電性與化學(xué)極性的特征，可為相關(guān)電化學(xué)應(yīng)用提供新的選擇。該工作近期發(fā)表在 Nature Communications雜志上5。

(1)Yu,M.P.;Li,R.;Wu,M.M.;Shi,G.Q.Energy Storage Mater. 2015,1,51.doi:10.1016/j.ensm.2015.08.004

(2) Huang,J.Q.;Zhang,Q.;Wei,F.Energy Storage Mater.2015,1, 127.doi:10.1016/j.ensm.2015.09.008

(3) Xin,S.;Gu,L.;Zhao,N.H.;Yin,Y.X.;Zhou,L.J.;Guo,Y.G.; Wan,L.J.J.Am.Chem.Soc.2012,134,18510.doi:10.1021/ ja308170k

(4)Tao,X.Y.;Wang,J.G.;Liu,C.;Wang,H.T.;Yao,H.B.;Zheng, G.Y.;Seh,Z.W.;Cai,Q.X.;Li,W.Y.;Zhou,G.M.;Zu,C.X.; Cui,Y.Nat.Commun.2016,7,11203.doi:10.1038/ ncomms11203

(5) Sun,Z.;Zhang,J.;Yin,L.;Hu,G.;Fang,R.;Cheng,H.M.;Li,F. Nat.Commun.2017,8,14627.doi:10.1038/ncomms14627

Vanadium Nitride/Graphene Hybrid Electrode with Chemical Adsorption and Conversion of Polysulfides

ZHANG Qiang
(Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703072