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用鋰硫電池點(diǎn)燃LED燈?大連化物所供圖

本報(bào)訊（記者卜葉）鋰硫電池是以硫元素為電池正極，鋰為負(fù)極的一種鋰電池，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好、理論能量密度高等特點(diǎn)，被視為高比能電池中最具潛力的鋰離子電池技術(shù)之一。作為鋰硫電池的關(guān)鍵組成部分，電極材料的設(shè)計(jì)和制備對(duì)電池整體性能提升意義重大。

近日，中科院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并制備出一種氮化鈮—氧化鈮異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片，可同時(shí)作為鋰硫電池的正極與負(fù)極載體，有效地抑制了多硫化物的穿梭效應(yīng)和金屬鋰負(fù)極枝晶的生長(zhǎng)。應(yīng)用該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鋰硫電池在貧電解液、低負(fù)正極容量比、高硫載量條件下，展示出優(yōu)異電化學(xué)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。

目前，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用仍受到硫正極的多硫化物穿梭、氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢、負(fù)極鋰枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題的限制。此外，鋰硫電池中正極硫載量低和電解液用量大，以及負(fù)極金屬鋰過(guò)量的問(wèn)題，會(huì)降低鋰硫電池的實(shí)際能量密度。

“多硫化物的穿梭效應(yīng)和負(fù)極鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致電池容量的快速衰減，嚴(yán)重阻礙了鋰硫電池的商業(yè)化進(jìn)程。”吳忠?guī)浉嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，設(shè)計(jì)一種對(duì)多硫化物具有高吸附能力、高催化活性以及優(yōu)越親鋰性能的載體材料，能夠?qū)崿F(xiàn)鋰硫電池在高硫載量、貧電解液和低鋰負(fù)極用量下高效穩(wěn)定的循環(huán)，是突破鋰硫電池應(yīng)用瓶頸的有效方法。

為此，研究團(tuán)隊(duì)制備出一種鈮基異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合了氧化鈮對(duì)多硫化物的強(qiáng)吸附能力和氮化鈮對(duì)多硫化物的高催化活性，同時(shí)具有優(yōu)異的親鋰表面。團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用于鋰硫電池的正極和負(fù)極載體，有效地提高了對(duì)多硫化物的吸附催化轉(zhuǎn)化能力，并可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

此外，基于該材料的正負(fù)兩極匹配得到的鋰硫電池，在高硫負(fù)載量、低負(fù)正極容量比、電解液體積/硫質(zhì)量比較低的條件下，實(shí)現(xiàn)了較高的面積容量和長(zhǎng)循環(huán)性能。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，為實(shí)現(xiàn)面向?qū)嵱没枨蟮母咝阅茕嚵螂姵仉姌O設(shè)計(jì)提供了新的思路，有望應(yīng)用在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)車(chē)和軍用便攜式電源領(lǐng)域。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202102314