【中国科学报】新型铌基纳米片欲破锂硫电池“穿梭”难题

  来源:《中国科学报》

  发布时间:2021-06-07

用锂硫电池点燃LED灯 大连化物所供图

  本报讯(记者卜叶)锂硫电池是以硫元素为电池正极,锂为负极的一种锂电池,具有价格低廉、环境友好、理论能量密度高等特点,被视为高比能电池中最具潜力的锂离子电池技术之一。作为锂硫电池的关键组成部分,电极材料的设计和制备对电池整体性能提升意义重大。

  近日,中科院大连化学物理研究所研究员吴忠帅团队,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。相关研究成果发表在《先进功能材料》上。

  目前,锂硫电池的实际应用仍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。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。

  “多硫化物的穿梭效应和负极锂枝晶生长导致电池容量的快速衰减,严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。”吴忠帅告诉《中国科学报》,设计一种对多硫化物具有高吸附能力、高催化活性以及优越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。

  为此,研究团队制备出一种铌基异质结构纳米片。该异质结构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,同时具有优异的亲锂表面。团队将其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的锂硫电池,在高硫负载量、低负正极容量比、电解液体积/硫质量比较低的条件下,实现了较高的面积容量和长循环性能。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,有望应用在无人机、电动车和军用便携式电源领域。

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