高倍率長壽命鋰硫電池研究進展 _知識百科

【高倍率長壽命鋰硫電池研究進展】【成果簡介】
中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組和溫州大學教授楊植合作，將水蒸氣刻蝕的多孔NbS2和高導電碘摻雜石墨烯（IG）復合到三元混合硫正極系統中，合成了由IG包裹的三明治型NbS2@S@IG正極材料。在這種特殊三明治結構中，層狀NbS2的高極性和強的親和力促進多硫化物的物理攔截和化學吸附，協同解決了多硫化物溶解和穿梭效應的問題；NbS2的高電導率和孔隙率提高了界面電荷轉移和離子遷移，從而提高了Li-S電池氧化還原反應的電化學動力學；IG包圍的夾層結構不僅可以使硫物質和層狀NbS2（或IG）之間發生緊密接觸，而且在充放電過程中能承受硫正極大的體積波動。由NbS2@S@IG組裝的Li-S電池，在20-40C的高倍率下，表現出優異的循環穩定性。
【圖文導讀】
圖1 用于合成NbS2@S@IG復合材料的示意圖

文章插圖

將CSS中的NbS2和硫粉末的漿料與IG混合，然后冷凍干燥，硫的熔融擴散產生NbS2@S@IG ，其中NbS2@S被IG完全包圍
圖2 在NbS2夾層中嵌入硫物質的合理機理示意圖

文章插圖

在放電過程中，由于NbS2與Li2S8之間的強界面相互作用，硫逐漸轉化為可溶性Li2S8物質，隨后它們被吸附在導電NbS2納米片的邊緣位置和表面上。
【研究內容】
隨著便攜電子設備以及電動汽車等新興電子產品對高容量儲能裝置的迫切需求，鋰硫電池（Li-S）由于高的理論比容量和能量密度，以及硫的低成本和環境友好等優勢被視為最有應用前景的高容量存儲體系之一。然而， Li-S電池的商業化應用仍存在一些技術挑戰，如固體硫化物的絕緣性，可溶性長鏈多硫化物的穿梭效應以及充放電期間硫的體積變化大。這些問題通常導致硫的利用率低，循環壽命差，甚至一系列安全問題。如何大幅提高Li-S電池穩定性的同時并增加其大功率放電性能，已成為當前研究的熱點之一。
中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組和溫州大學教授楊植合作，將水蒸氣刻蝕的多孔NbS2和高導電碘摻雜石墨烯（IG）復合到三元混合硫正極系統中，合成了由IG包裹的三明治型NbS2@S@IG正極材料。在這種特殊三明治結構中，層狀NbS2的高極性和強的親和力促進多硫化物的物理攔截和化學吸附，協同解決了多硫化物溶解和穿梭效應的問題；NbS2的高電導率和孔隙率提高了界面電荷轉移和離子遷移，從而提高了Li-S電池氧化還原反應的電化學動力學；IG包圍的夾層結構不僅可以使硫物質和層狀NbS2（或IG）之間發生緊密接觸，而且在充放電過程中能承受硫正極大的體積波動。由NbS2@S@IG組裝的Li-S電池，在20-40C的高倍率下，表現出優異的循環穩定性。
研究成果發表在ACS Nano上，研究工作得到了國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的資助。