兼具化學吸附和轉化多硫化物的氮化釩/石墨烯復合電極

張 強

兼具化學吸附和轉化多硫化物的氮化釩/石墨烯復合電極

張 強

(清華大學化學工程系，北京 100084)

硫正極材料具有比現有商用鋰電池正極材料的容量高出一個數量級的理論容量，同時還具有成本低、儲量豐富和環境友好等優點。因此，基于硫正極的高比能鋰硫電池是電化學儲能中最有前景的下一代電池體系之一1,2。如希望鋰硫電池能夠發揮其理論儲能特性，走向實際應用，首先需要解決電極材料的高效利用問題。在硫正極這一側，硫和放電產物硫化鋰電導率極低；中間產物多硫化物會在充放電過程中形成的可溶性多硫化物；這種正負極間的穿梭效應等會顯著影響電池的倍率性能和循環壽命。為解決這個問題，可以將多硫化物限制在碳基材料的孔隙或層內，以防止多硫化物的溶解，抑制穿梭效應3。然而，碳材料表面是非極性的，不能與極性的多硫化物形成穩定的化學鍵。多硫化物極易從碳材料的孔隙中脫出，難以長時間有效抑制穿梭效應。如能利用極性的金屬氧化物與多硫化物形成的化學相互作用來吸附多硫化物，則有望進一步抑制多硫化物的穿梭效應4。遺憾的是絕緣的氧化物會阻礙電子和鋰離子的傳輸，降低硫的利用率和倍率性能。如何綜合兩者的特點、找到高導電的極性吸附材料就成為研究的核心。

圖1 兼具化學吸附和轉化多硫化物的氮化釩/石墨烯復合電極

中國科學院金屬研究所李峰研究組提出構建具有化學錨定多硫化物的碳基復合材料電極的研究思路，可解決鋰硫電池中活性材料的高效利用問題。該研究團隊將碳納米材料和具有化學錨定多硫化物功能的高導電金屬氮化物有機結合，一步水熱法將氮化釩納米帶負載在三維石墨烯基體上，以多硫化鋰作為活性物質填充在石墨烯與氮化釩復合材料集流體的三維孔道中(如圖1所示)。

這種復合的正極結構既充分利用石墨烯三維骨架和孔結構，又結合高導電的極性氮化釩對多硫化物的化學吸附和轉化促進作用，有效解決了由“穿梭效應”帶來的容量衰減及庫倫效率低等問題，從而獲得了優異的電化學性能。相比石墨烯電極，氮化釩/石墨烯復合電極的極化更小、氧化還原反應動力學更快，顯示了較好的倍率和循環性能，在高能鋰硫電池的應用中可能具有巨大潛力。同時，金屬氮化物是一個大家族，其高導電性與化學極性的特征，可為相關電化學應用提供新的選擇。該工作近期發表在 Nature Communications雜志上5。

(1)Yu,M.P.;Li,R.;Wu,M.M.;Shi,G.Q.Energy Storage Mater. 2015,1,51.doi:10.1016/j.ensm.2015.08.004

(2) Huang,J.Q.;Zhang,Q.;Wei,F.Energy Storage Mater.2015,1, 127.doi:10.1016/j.ensm.2015.09.008

(3) Xin,S.;Gu,L.;Zhao,N.H.;Yin,Y.X.;Zhou,L.J.;Guo,Y.G.; Wan,L.J.J.Am.Chem.Soc.2012,134,18510.doi:10.1021/ ja308170k

(4)Tao,X.Y.;Wang,J.G.;Liu,C.;Wang,H.T.;Yao,H.B.;Zheng, G.Y.;Seh,Z.W.;Cai,Q.X.;Li,W.Y.;Zhou,G.M.;Zu,C.X.; Cui,Y.Nat.Commun.2016,7,11203.doi:10.1038/ ncomms11203

(5) Sun,Z.;Zhang,J.;Yin,L.;Hu,G.;Fang,R.;Cheng,H.M.;Li,F. Nat.Commun.2017,8,14627.doi:10.1038/ncomms14627

Vanadium Nitride/Graphene Hybrid Electrode with Chemical Adsorption and Conversion of Polysulfides

ZHANG Qiang
(Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703072