我所研发出铌基异质结构纳米片并用于贫电解液锂硫电池

  近日,我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队,设计并制备出一种氮化铌-氧化铌异质结构纳米片,可同时作为锂硫电池的正极与负极载体,有效地抑制了多硫化物的穿梭效应和金属锂负极枝晶的生长,应用该异质结构的锂硫电池在贫电解液、低负正极容量比、高硫载量条件下,展示出优异电化学性能。

  锂硫电池具有高的理论能量密度,被视为高比能电池中最具潜力的锂离子电池技术之一。然而,锂硫电池的实际应用受到硫正极的多硫化物穿梭、氧化还原反应动力学慢、负极锂枝晶生长等问题的限制,造成锂硫电池倍率和循环性能较差。此外,锂硫电池中正极硫载量低和电解液用量大,以及负极金属锂过量的问题会降低锂硫电池的实际能量密度。因此,设计一种对多硫化物具有高吸附能力、高催化活性以及优异亲锂性能的载体材料,能够实现锂硫电池在高硫载量、贫电解液和低锂负极用量下高效稳定的循环,是突破锂硫电池应用瓶颈的有效方法。

  近日,该团队针对锂硫电池存在的科学问题和技术瓶颈,制备出一种铌基异质结构纳米片。该异质结构同时结合了氧化铌对多硫化物的强吸附能力和氮化铌对多硫化物的高催化活性,并具有优异的亲锂表面。该团队将其同时应用于锂硫电池的正极和负极载体,有效地提高了对多硫化物的吸附催化转化能力,并可以抑制锂枝晶的生长。此外,基于该材料的正负两极匹配得到成的锂硫电池,在高硫负载量6.9mg/cm2、低负正极容量比2.4:1、电解液体积硫质量比5.1μl/mg的条件下面积容量可达5.0mAh/cm2。这种异质结构的设计策略,为实现面向实用化需求的高性能锂硫电池电极设计提供了新的思路。

  相关研究成果以题为“Interfacial Engineering of Bifunctional Niobium (V)‐Based Heterostructure Nanosheet Toward High Efficiency Lean‐Electrolyte Lithium–Sulfur Full Batteries”发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。该工作的第一作者是我所508组2016级博士研究生石浩东。上述工作得到国家重点研发计划项目、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。(文/图 石浩东、侯晓城)

  文章链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202102314

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