高倍率長(zhǎng)壽命鋰硫電池研究進(jìn)展

【成果簡(jiǎn)介】

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王瑞虎課題組和溫州大學(xué)教授楊植合作，將水蒸氣刻蝕的多孔NbS2和高導(dǎo)電碘摻雜石墨烯（IG）復(fù)合到三元混合硫正極系統(tǒng)中，合成了由IG包裹的三明治型NbS2@S@IG正極材料。在這種特殊三明治結(jié)構(gòu)中，層狀NbS2的高極性和強(qiáng)的親和力促進(jìn)多硫化物的物理攔截和化學(xué)吸附，協(xié)同解決了多硫化物溶解和穿梭效應(yīng)的問題；NbS2的高電導(dǎo)率和孔隙率提高了界面電荷轉(zhuǎn)移和離子遷移，從而提高了Li-S電池氧化還原反應(yīng)的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)；IG包圍的夾層結(jié)構(gòu)不僅可以使硫物質(zhì)和層狀NbS2（或IG）之間發(fā)生緊密接觸，而且在充放電過程中能承受硫正極大的體積波動(dòng)。由NbS2@S@IG組裝的Li-S電池，在20-40C的高倍率下，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 用于合成NbS2@S@IG復(fù)合材料的示意圖

將CSS中的NbS2和硫粉末的漿料與IG混合，然后冷凍干燥，硫的熔融擴(kuò)散產(chǎn)生NbS2@S@IG，其中NbS2@S被IG完全包圍

圖2 在NbS2夾層中嵌入硫物質(zhì)的合理機(jī)理示意圖

在放電過程中，由于NbS2與Li2S8之間的強(qiáng)界面相互作用，硫逐漸轉(zhuǎn)化為可溶性Li2S8物質(zhì)，隨后它們被吸附在導(dǎo)電NbS2納米片的邊緣位置和表面上。

【研究?jī)?nèi)容】

隨著便攜電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車等新興電子產(chǎn)品對(duì)高容量?jī)?chǔ)能裝置的迫切需求，鋰硫電池（Li-S）由于高的理論比容量和能量密度，以及硫的低成本和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)被視為最有應(yīng)用前景的高容量存儲(chǔ)體系之一。然而，Li-S電池的商業(yè)化應(yīng)用仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如固體硫化物的絕緣性，可溶性長(zhǎng)鏈多硫化物的穿梭效應(yīng)以及充放電期間硫的體積變化大。這些問題通常導(dǎo)致硫的利用率低，循環(huán)壽命差，甚至一系列安全問題。如何大幅提高Li-S電池穩(wěn)定性的同時(shí)并增加其大功率放電性能，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王瑞虎課題組和溫州大學(xué)教授楊植合作，將水蒸氣刻蝕的多孔NbS2和高導(dǎo)電碘摻雜石墨烯（IG）復(fù)合到三元混合硫正極系統(tǒng)中，合成了由IG包裹的三明治型NbS2@S@IG正極材料。在這種特殊三明治結(jié)構(gòu)中，層狀NbS2的高極性和強(qiáng)的親和力促進(jìn)多硫化物的物理攔截和化學(xué)吸附，協(xié)同解決了多硫化物溶解和穿梭效應(yīng)的問題；NbS2的高電導(dǎo)率和孔隙率提高了界面電荷轉(zhuǎn)移和離子遷移，從而提高了Li-S電池氧化還原反應(yīng)的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)；IG包圍的夾層結(jié)構(gòu)不僅可以使硫物質(zhì)和層狀NbS2（或IG）之間發(fā)生緊密接觸，而且在充放電過程中能承受硫正極大的體積波動(dòng)。由NbS2@S@IG組裝的Li-S電池，在20-40C的高倍率下，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

研究成果發(fā)表在ACSNano上，研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。