Adv. Funct. Mater.：導電碳化鈮納米晶抑制鋰-硫電池中多硫化物的飛梭效應

【引言】

鋰硫電池（Li-S）具有較大的理論容量和較高的能量密度，有望成為下一代高性能鋰離子電池。然而活性物質硫相對較低的電子電導率/離子電導率、可溶性多硫化物（PS）中間產物的飛梭效應以及充放電過程中較大的體積變化很大程度上限制了Li-S電池的實際應用價值。對正極結構進行優化設計，引入功能化界面層不僅可以有效解決PS的遷移問題，而且可以有效將含硫物種錨定在正極部分，從而提高Li-S電池的電化學性能。作為一種重要的Mxenes材料，碳化鈮（NbC）優異的電學性能、力學性能、化學穩定性使其成為Li-S電池理想的功能性界面層材料。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學的朱永春和滑鐵盧大學的陳忠偉（共同通訊作者）等在Advanced Functional Materials上發表了題為“Conductive Nanocrystalline Niobium Carbide as High-Efficiency Polysulfides Tamer for Lithium-Sulfur Batteries”的研究論文，報道了鋰硫電池界面層的最新研究進展。研究人員通過高壓反應釜中的鎂熱還原法合成高導電性碳化鈮納米晶體，并將其用作Li-S電池的界面層材料。研究發現：這種微量導電性NbC納米晶界面層的引入有效固定多硫化物、抑制了PS的飛梭效應，提高了Li-S電池的循環性能和倍率性能，為Li-S電池的實際應用提供了一種新的方法。

【圖文導讀】

示意圖-1. NbC的制備示意圖

鎂熱還原法制備NbC納米晶體示意圖

圖-1. 樣品的形貌表征和元素分析

（a）樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；

（b）樣品的透射電子顯微鏡（TEM）圖像；

（c）樣品的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像；

（d）樣品的TEM圖像及選定區域的元素分布圖像；

（e）Li₂S₄中S_2p的X射線光電子能譜（XPS）光譜；

（f）NbC-Li₂S₄中S_2p的XPS光譜。

圖-2. Li-S電池的結構示意圖及隔膜微觀形貌表征

（a）常規的Li-S電池及改進后Li-S電池的結構示意圖；

（b）Celgard（左）和涂覆NbC的薄膜（NCM）（右）的正面、背面電子圖片；

（c）Celgard上表面的SEM圖像；

（d）Celgard截面的SEM圖像；

（e）NCM上表面的SEM圖像；

（f）NCM截面的SEM圖像。

圖-3. NCM的電化學性能曲線

（a）掃描速率為0.1 mV/s時，裝配NCM的電池的CV曲線；

（b）電流密度為0.5 C時，裝配NCM的電池的充-放電曲線；

（c）電流密度為0.2 C時，裝配NCM的電池的循環性能曲線；

（d）電流密度為0.5 C時，裝配NCM的電池的循環性能曲線；

（e）電流密度為2.0 C時，裝配NCM的電池的循環性能曲線。

圖-4. Celgard和NCM的電化學性能

（a）裝配Celgrad的和裝配NCM的電極的倍率性能；

（b）不同倍率下裝配NCM的電極的充-放電曲線；

（c）不同倍率下裝配Celgard的電極的充-放電曲線；

（d）裝配Celgard和裝配NCM的電池在不同倍率下的電勢帶寬；

（e）裝配Celgard和裝配NCM的電池中高放電平臺的比例。

圖-5. Celgard和NCM的電化學性能和光譜

（a）裝配Celgard的電池的第四-第五次循環的電壓-時間曲線；

（b）裝配NCM的電池的第四-第五次循環的電壓-時間曲線；

（c）裝配Celgard的電池第四、第五、第六次充放電的電壓曲線；

（d）裝配NCM的電池第四、第五、第六次充放電的電壓曲線；

（e）循環后隔膜浸泡在THF溶液中的電子照片；

（f）循環后隔膜的（紫外-可見）UV-vis光譜。

圖-6. 隔膜的擴散性能測試

（a）隔膜的擴散性能測試；

（b, c）初始狀態下鋰負極的SEM圖像；

（d, e）裝配Celgard隔膜的鋰負極循環后的SEM圖像；

（f, g）裝配NCM隔膜的鋰負極循環后的SEM圖像。

圖-7. 裝配NCM隔膜的Li-S電池的性能測試曲線

（a）電流密度為0.2 C時，Li-S電池的循環性能曲線；

（b）電流密度為0.2 C和0.5 C時，Li-S的充放電電壓曲線；

（c）電流密度為0.5 C時，Li-S電池的循環性能曲線。

圖-8. 軟包Li-S電池的電化學性能測試

（a）軟包Li-S電池點亮LED的電子照片；

（b）軟包Li-S電池的充-放電曲線；

（c）電流密度為0.2 C時，軟包Li-S電池的循環性能曲線。

【小結】

本文借助鎂熱還原法在相對較低的溫度下制備得到了導電性NbC納米晶，并將其成功應用于Li-S電池。研究發現：導電性NbC界面層的引入不僅可以將PS固定在正極一側，抑制鋰負極的鈍化和電池的自放電，而且可以作為集流體的一部分，提高活性物質的利用率，從而提高了Li-S電池的循環穩定性、倍率性能。該方法為高性能Li-S電池的產業化應用提供了新的推動力。

【文獻信息】

文獻鏈接： Conductive Nanocrystalline Niobium Carbide as High-Efficiency Polysulfides Tamer for Lithium-Sulfur Batteries?(Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704865)

中科大錢逸泰、朱永春團隊簡介

錢逸泰、朱永春的無機固體化學研究小組。近年來在二次電池電極材料高效、低成本的合成方法和性能研究方面取得了創新性成果。主持國家973計劃、國家自然科學基金、省自然科學基金等若干項。2010年以來在Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Energy等國際知名刊物上發表研究工作60余篇。目前實驗室研究方向主要有：高性能鋰、鈉離子電池正負極材料的研究，鋰-硫電池的研究，鋰-空氣電池的研究，水系鈉離子電池的研究。

團隊在該領域重要工作

[1] Xiaona Li, Jianwen Liang, Yue Lu, Zhiguo Hou, Qiushi Cheng, Yongchun Zhu*, Yitai Qian*. Sulfur-Rich Phosphorus Sulfide Molecules for Use in Rechargeable Lithium Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2937-2941.

[2] Xiaona Li, Jianwen Liang, Kailong Zhang, Zhiguo Hou, Wanqun Zhang, Yongchun Zhu, Yitai Qian. Amorphous S-Rich S 1? X Se X/C (X≤ 0.1) Composites Qromise Better Lithium–Sulfur Batteries in a Carbonate-Based Electrolyte. Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3181.

[3] Lei Hu, Yue Lu, Xiaona Li, Jianwen Liang, Tao Huang, Yongchun Zhu*, Yitai Qian*. Optimization of Microporous Carbon Structures for Lithium–Sulfur Battery Applications in Carbonate-Based Electrolyte. Small, 2017, 1603533.

[4] Xiaona Li , Jianwen Liang , Zhiguo Hou , Wanqun Zhang , Yan Wang, Yongchun Zhu ,Yitai Qian. A New Salt-Baked Approach for Confining Selenium in Metal Complex-Derived Porous Carbon with Superior Lithium Storage Properties. Adv. Funct. Mater. 2015.

相關優質文獻推薦

[1] Yanying Lu, Ning Zhang, Shuang Jiang, Yudong Zhang, Meng Zhou, Zhanliang Tao, Lynden A. Archer, Jun Chen. High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture. Nano Lett. 2017, 17, 3668?3674.

[2] Lina Wang, Jingyuan Liu, Shouyi Yuan, Yonggang Wang, Yongyao Xia. To Mitigate Self-Discharge of Lithium–Sulfur Batteries by Optimizing Ionic Liquid Electrolytes. Energy Environ. Sci., 2016, 9, 224-231.

[3] Sen Xin, Yaxia Yin, Yuguo Guo, Lijun Wan. A High-Energy Room-Temperature Sodium-Sulfur Battery. Adv. Mater. 2014, 26, 1261–1265.

[4] Cheng Tang, Boquan Li, Qiang Zhang, Lin Zhu, Hao-Fan Wang , Jiale Shi, Fei Wei. CaO-Templated Growth of Hierarchical Porous Graphene for High-Power Lithium–Sulfur Battery Applications. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 577–585.

本文由材料人學術組供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣， 點我加入編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！