山东大学新技术发文《ACS Nano》：纳米粒子助力实现高面容量锂硫电池！

2022-04-18 09:27:40 来源：材料科学与工程

2120

简介：多硫化物的穿梭效应和Li2S的缓慢形核是阻碍锂硫电池（全国锂电池正极材料制备与实验室仪器装备）进一步发展的主要问题，合理设计具有催化功能的硫载体材料是促进多硫化物转化的有效策略。与其他类型的过渡金属化合物相比，具有高导电性和催化性能的过渡金属硼化物更适合作为硫载体材料。

多硫化物的穿梭效应和Li2S的缓慢形核是阻碍锂硫电池（全国锂电池正极材料制备与实验室仪器装备）进一步发展的主要问题，合理设计具有催化功能的硫载体材料是促进多硫化物转化的有效策略。与其他类型的过渡金属化合物相比，具有高导电性和催化性能的过渡金属硼化物更适合作为硫载体材料。

山东大学徐立强教授团队通过简单的固相反应合成了具有丰富且高效催化位点的二硼化铌（NbB2）纳米颗粒。NbB2具有高导电性和催化性，可以调节Li2S的3D形核和生长，降低反应能垒，加速多硫化物的转化。因此，NbB2正极在0.2C下进行100次循环后显示出1014mAh g−1的稳定容量，在5/10 CC下的初始容量高达703/609mAhg−1，并稳定循环1000/1300次以上，1000/1300次循环后的容量衰减率低为0.057%/0.051%。硫含量为16.5mg cm−2条件下，其初始面容量高达17mAh cm−2，在0.1C下循环40次后面容量可保持在10mAh cm−2以上。这项工作为改善多硫化物转化动力学和调整Li2S 3D形核提供了一种简便的方法，以进一步应用于高能量密度锂硫电池。相关成果以“Niobium Diboride Nanoparticles Accelerating Polysulfide Conversion and Directing Li2S Nucleation Enabled High Areal Capacity Lithium−Sulfur Batteries”发表在ACS Nano上。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01179

锂硫电池是目前最具应用前景的电池体系之一，锂硫电池的多电子反应在充电/放电过程中经历了固体−液体−固相转变，在此过程中，中间产物多硫化物可溶于电解液，可由正极和负极之间的浓度梯度和电场驱动（穿梭效应），从而导致低库仑效率和容量衰减。同时，硫的导电性差，导致相关转化反应的动力学缓慢。为了克服这些缺陷，人们提出了多种策略，例如正极载体材料设计、电解液优化和集流体改进。其中，硫载体材料的设计最为普遍，从多孔碳到石墨烯和碳纳米管。与碳材料相比，各种金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物、磷化物等，已被广泛报道为硫载体材料。根据多硫化物氧化还原反应的顺序，在多硫化物转化过程中必然发生电荷转移，由于需要额外的表面扩散，这对具有高催化性能的载体材料提出了要求。

铌基材料，如Nb2O5和NbC，已被报道可抑制“穿梭效应”并加速多硫化物氧化还原反应的动力学，说明铌基材料的巨大潜力。虽然化学作用部分抑制了“穿梭效应”，但金属原子提供的活性位点有限，循环稳定性无法进一步提高。因此，迫切需要开发一种有效的吸附策略和吸附载体材料来提高吸附效率。与其他极性金属化合物不同，硼化物的B元素具有空轨道的电子结构，可以通过B-S键锚定多硫化物，因此，金属元素和B元素都可以化学吸附多硫化物，从而丰富化学锚定位点。二硼化铌（NbB2）满足上述要求，但由于合成困难，很少受到关注。

基于低温固相合成方法，作者通过制备NbB2纳米颗粒用作硫载体，以缓解“穿梭效应”，促进多硫化物转化。首先，与其他铌基化合物相比，NbB2纳米颗粒具有高导电性和丰富的催化位点，可以有效地促进多硫化物的电化学转化；第二，纳米NbB2可以增强多硫化物氧化还原催化位点的暴露，可以减少电解质的使用，提高实际应用的可行性；第三，B原子和Nb原子都能有效地吸附多硫化物，增强多硫化物的锚定功能。原位XRD测试揭示转化反应的原理，验证了NbB2能有效加速多硫化物转化，促进Li2S成核。此外，涉及多硫化物吸附能、吉布斯自由能、电荷差和态密度的第一性原理计算进一步揭示了NbB2的强极性和促进多硫化物转化的机制。得益于纳米NbB2的优点，NbB2/NPG/S正极表现出优异的电化学性能，组装后的扣电还表现出优异的倍率性能和循环稳定性，表明其具有很高的应用潜力。这项工作强调了设计具有导电和催化功能的硫载体在提高多硫化物转化动力学和指导锂硫电池（全国锂电池正极材料制备与实验室仪器装备）中Li2S沉积方面的重要性。（文：李澍）