自支撐碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩(wěn)定性鋰硫電池正極材料技術(shù)研究

【引言】

由于理論能量密度高達(dá)2560Wh/kg，鋰硫電池被認(rèn)為是最有前景的儲(chǔ)能體系之一。雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，但是鋰硫電池的大規(guī)模應(yīng)用仍然受到一些因素的限制，其中中間產(chǎn)物多硫化物的穿梭效應(yīng)以及硫的導(dǎo)電性能差是最突出的問題。近年來，除了采用各種高比表面碳對(duì)多硫化物進(jìn)行物理限制外，研究人員也嘗試將極性的金屬氧化物（如SiO2，TiO2，MnO2，V2O5）和硫化物（如TiS2，WS2，CoS2）加入硫電極中來，從而有效地吸附可溶性多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)，改善鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而大多數(shù)金屬氧化物與硫化物導(dǎo)電性差，嚴(yán)重阻礙了電子傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致了低的硫利用率和較差的倍率性能。因此需要尋找具有高電導(dǎo)率和強(qiáng)吸附能力的電極材料來進(jìn)一步提升鋰硫電池的性能。

【成果簡介】

9月10日，Nano Energy發(fā)表題為“自支撐的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩(wěn)定性的鋰硫電池正極材料”（Freestanding carbon encapsulated mesoporous vanadium nitride nanowires enable highly stable sulfur cathodes for lithium-sulfur batteries）的研究論文，第一作者為武漢科技大學(xué)博士生李星星，通訊作者為武漢科技大學(xué)的高標(biāo)和華中科技大學(xué)的霍開富。

【本文亮點(diǎn)】

碳包覆介孔氮化釩納米線（MVN@C NWs）核殼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)

（1）具有高導(dǎo)電性的多孔VN作為內(nèi)核，不僅為硫單質(zhì)提供了負(fù)載空間，而且為電子的快速傳輸提供了通道；

（2）VN內(nèi)核的化學(xué)吸附作用和微孔碳外殼的物理阻擋作用協(xié)同抑制了多硫化物的穿梭效應(yīng)，極大地提高了循環(huán)性能；

（3）多孔結(jié)構(gòu)的VN可以適應(yīng)充放電過程中硫的體積變化；

（4）VN內(nèi)核具有優(yōu)異的催化性能，能夠有效加速多硫化物向固態(tài)硫化鋰的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)；

（5）S/MVN@C NWs自支撐薄膜由相互交織納米線組成，無需任何的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，提高了硫載量，并表現(xiàn)出良好的柔性。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.（a）S/MVN@C NWs制備過程示意圖以及在充放電過程中抑制穿梭效應(yīng)的示意圖。

以氧化釩納米線為前驅(qū)物，通過簡單的多巴胺包覆和氨氣處理，以及后續(xù)硫的負(fù)載來獲得S/MVN@C NWs 薄膜電極。由于VN和微孔碳層對(duì)多硫化物表現(xiàn)出強(qiáng)的化學(xué)吸附和有效的物理阻礙作用，從而有效地抑制了多硫化合物的穿梭效應(yīng)并提高循環(huán)穩(wěn)定性。

圖2. S/MVN@C NWs結(jié)構(gòu)與成分表征。

結(jié)合電鏡圖片和面掃結(jié)果可以看出硫納米顆粒大小為2-5nm，并且主要分布在VN的介孔中。S/MVN@C NWs電極最高硫載量可達(dá)82.6wt%。

（a, b）分別為S/MVN@C NWs的TEM圖和HR-TEM圖；

（c）為S/MVN@C NWs的STEM圖片，和S、V、C元素的面掃；

（d）為S/MVN@C NWs組成的柔性電極的照片和厚度；

（e）為不同硫載量S/MVN@C NWs的熱重圖；

（f）MVN@C NWs負(fù)載硫前后的XRD圖。

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