近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張乃慶教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種石墨烯負(fù)載氮化鉬納米片結(jié)構(gòu)的鋰硫電池中間層，其具有阻擋多硫化鋰和防止硫化鋰堆積的作用，能有效緩解鋰硫電池容量嚴(yán)重衰減的問(wèn)題，進(jìn)而延長(zhǎng)單次充電的續(xù)航時(shí)間。該研究成果以MoN Supported on Graphene as a Bidingal Interlayer for Advanced Li-S Batteries為題已發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Energy Materials上。
鋰硫電池是以硫元素作為正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池，其理論比能量高達(dá) 2600Wh/kg，遠(yuǎn)高於目前主流的三元電池，是破解新能源汽車“里程焦慮”備選項(xiàng)之一。
但是，其在實(shí)際應(yīng)用中仍受到較大的阻礙，一是由於硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物（Li2S/Li2S2）的導(dǎo)電率較低，導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低，倍率性能差；二是在迴圈過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的可溶性多硫化物，導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”的出現(xiàn)，從而降低硫活性物質(zhì)的利用率，造成鋰硫電池不可逆容量的損失。因此，抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)是提高鋰硫電池綜合性能的關(guān)鍵。
研究人員表示，解決“穿梭效應(yīng)”的有效手段是在正極和隔膜之間插入能夠阻擋多硫化鋰通過(guò)的中間層。
對(duì)此，張乃慶課題組研製出了一種石墨烯負(fù)載氮化鉬納米片結(jié)構(gòu)的中間層，其在一定程度上能緩解鋰硫電池的難題。
研究表明，氮化鉬和多硫化鋰之間的強(qiáng)化學(xué)鍵合和色散相互作用能夠有效阻止多硫化鋰的擴(kuò)散；氮化鉬的路易士酸性表面可以通過(guò)共價(jià)-活化機(jī)制降低硫化鋰中鋰-硫鍵的結(jié)合，促進(jìn)硫化鋰的分解。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用石墨烯負(fù)載氮化鉬納米片結(jié)構(gòu)中間層的碳-硫複合正極在1C倍率下，迴圈1500次後容量衰減率僅為每次迴圈0.023%；在7mg/cm2的高硫負(fù)載面密度下，0.1C倍率下迴圈後仍有6.02mAh/cm2的面積比容量。可見(jiàn)，採(cǎi)用該中間層後鋰硫電池的電化學(xué)性能表現(xiàn)極其良好，這也證明了解決“穿梭效應(yīng)”問(wèn)題的中間層設(shè)計(jì)理念的先進(jìn)性。
