兼具化学吸附和转化多硫化物的氮化钒/石墨烯复合电极

张 强

兼具化学吸附和转化多硫化物的氮化钒/石墨烯复合电极

张 强

(清华大学化学工程系，北京 100084)

硫正极材料具有比现有商用锂电池正极材料的容量高出一个数量级的理论容量，同时还具有成本低、储量丰富和环境友好等优点。因此，基于硫正极的高比能锂硫电池是电化学储能中最有前景的下一代电池体系之一1,2。如希望锂硫电池能够发挥其理论储能特性，走向实际应用，首先需要解决电极材料的高效利用问题。在硫正极这一侧，硫和放电产物硫化锂电导率极低；中间产物多硫化物会在充放电过程中形成的可溶性多硫化物；这种正负极间的穿梭效应等会显著影响电池的倍率性能和循环寿命。为解决这个问题，可以将多硫化物限制在碳基材料的孔隙或层内，以防止多硫化物的溶解，抑制穿梭效应3。然而，碳材料表面是非极性的，不能与极性的多硫化物形成稳定的化学键。多硫化物极易从碳材料的孔隙中脱出，难以长时间有效抑制穿梭效应。如能利用极性的金属氧化物与多硫化物形成的化学相互作用来吸附多硫化物，则有望进一步抑制多硫化物的穿梭效应4。遗憾的是绝缘的氧化物会阻碍电子和锂离子的传输，降低硫的利用率和倍率性能。如何综合两者的特点、找到高导电的极性吸附材料就成为研究的核心。

图1 兼具化学吸附和转化多硫化物的氮化钒/石墨烯复合电极

中国科学院金属研究所李峰研究组提出构建具有化学锚定多硫化物的碳基复合材料电极的研究思路，可解决锂硫电池中活性材料的高效利用问题。该研究团队将碳纳米材料和具有化学锚定多硫化物功能的高导电金属氮化物有机结合，一步水热法将氮化钒纳米带负载在三维石墨烯基体上，以多硫化锂作为活性物质填充在石墨烯与氮化钒复合材料集流体的三维孔道中(如图1所示)。

这种复合的正极结构既充分利用石墨烯三维骨架和孔结构，又结合高导电的极性氮化钒对多硫化物的化学吸附和转化促进作用，有效解决了由“穿梭效应”带来的容量衰减及库伦效率低等问题，从而获得了优异的电化学性能。相比石墨烯电极，氮化钒/石墨烯复合电极的极化更小、氧化还原反应动力学更快，显示了较好的倍率和循环性能，在高能锂硫电池的应用中可能具有巨大潜力。同时，金属氮化物是一个大家族，其高导电性与化学极性的特征，可为相关电化学应用提供新的选择。该工作近期发表在 Nature Communications杂志上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