本文開發了一種類似草莓的納米結構，為快速和持久的硫電化學性能提供了在結晶和氧缺陷方面的協同調節作用，對於開發實際可行的電極材料和Li-S電池具有很大的前景。
多硫化鋰（LPS）的溶解和穿梭效應與緩慢的轉換動力學阻礙了鋰硫（Li-S）電池的實際發展。近日，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉團隊開發了一種嵌入微孔碳納米球的具有氧缺陷的超細、非晶態五氧化二鈮納米團簇（A-Nb2O5-x@MCS）作為抑制LPS穿梭效應和加快LPS催化轉化的多功能硫固定劑和促進劑。相關論文以題為“Revealing the Rapid Electrocatalytic Behavior of Ultrafine Amorphous Defective Nb2O5-x Nanocluster towards Superior Li-S Performance”於2020年3月17日發表在ACS Nano上。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c00799
高能量/功率密度和長壽命的先進電化學儲能系統的開發作為一項關鍵的實現可持續供應的改造技術而受到了廣泛的關注。其中Li-S電池因其高理論能量密度而被認為是最具競爭力的儲能系統之一。但問題也很突出，即：多硫化鋰（LPS）的溶解和穿梭效應，以及其緩慢的轉換動力學。在這種情況下，多孔碳已被認為是適應硫和提高電子電導率的主體材料，特別是微孔碳。然而，非極性碳質材料對LPS親和力差，限制了LPS的固定和緩慢的硫動力學，導致穿梭效應抑制不理想，庫侖效率低。
通過添加極性材料如鈮基金屬化合物（NbMC），能夠展現對LPS的強大親和力，為改善硫的電化學提供了很大的前景。同時，缺陷工程已被公認為能夠將電子結構調整到更有利的物理和電化學性能，有利於Li-S電池中的電子/離子轉移和硫的固定/催化。氧空位在NbMC中的應用進一步增強了對LPS的化學束縛，降低了硫氧化還原反應的活性能。然而，NbMC普遍存在嚴重的粒子團聚現象，從而導致LPS轉換的活性位點有限，電極內離子/電子輸運差。因此，為了促進離子/電子傳導和Li-S反應動力學，合理設計硫正極對提高電池性能起著至關重要的作用。
在此，本文開發了一種類似草莓的納米結構，其中具有非晶態結構和豐富氧空位的超細Nb2O5-x納米團簇被植入碳納米球的微孔中，用於提高了Li-S的性能，展現了非晶和缺陷結構在增強LPS吸附性方面的優越性。注入骨架的A-Nb2O5-x納米團簇能夠使硫分佈均勻，從而暴露出大量的活性界面，為快速氧化還原反應提供較短的離子/電子傳輸途徑。此外，A-Nb2O5-x的低結晶度特徵控制了LPS的化學親和力，而缺陷則提高了用於快速電化學轉化的本徵電導率和催化活性。
圖1.（A）Nb2O5-x、A-Nb2O5和T-Nb2O5的XRD圖譜；（B）Nb2O5吸附Li2S6後的紫外-可見光譜 ；（C，D）T-Nb2O5（001）和Nb2O5-x（001）優化幾何構型和相應的Li2S6 Eads；（E）T-Nb2O5、A-Nb2O5和Nb2O5-x的電導率；（F-H） Nb2O5-x、A-Nb2O5和T-Nb2O5硫正極材料0.2C時的電壓曲線、倍率性能以及循環性能。
圖2.（A）A-Nb2O5-x@MCS的合成工藝；（B-J）A-Nb2O5-x@MCS的TEM圖像及性對應的EELS元素分析。
圖3. （A）MCS、A-Nb2O5+MCS、T-Nb2O5+MCS和A-Nb2O5-x@MCS的XRD圖譜；（B，C）N2吸附-脫附等溫線和相對應的孔徑分佈；（D-G）A-Nb2O5-x@MCS和A-Nb2O5@MCS的拉曼光譜、Nb 3dXPS圖譜、O 1s XPS圖譜和EPR圖譜；（H）Nb L3-邊XANES圖譜；（I）A-Nb2O5-x@MCS的FLY和TEY XANES圖譜。
圖4. LPS相互作用和催化表徵
基於以上特點，由A-Nb2O5-x@MCS製備的Li-S電池在高硫載量和低電解液/硫的比下擁有6.62 mAh cm-2的高面積容量，且具有優異的倍率性能和能夠以0.024%的超低容量衰落率穩定循環1200圈。
圖5.電化學性能的比較
總之，這項工作為快速和持久的硫電化學性能提供了在結晶和氧缺陷方面的協同調節作用，對於在相關的儲能和轉換領域開發實際可行的電極材料和Li-S電池具有很大的前景。（文：Caspar）
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