本文开发了一种类似草莓的纳米结构，为快速和持久的硫电化学性能提供了在结晶和氧缺陷方面的协同调节作用，对于开发实际可行的电极材料和Li-S电池具有很大的前景。
多硫化锂（LPS）的溶解和穿梭效应与缓慢的转换动力学阻碍了锂硫（Li-S）电池的实际发展。近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟团队开发了一种嵌入微孔碳纳米球的具有氧缺陷的超细、非晶态五氧化二铌纳米团簇（A-Nb2O5-x@MCS）作为抑制LPS穿梭效应和加快LPS催化转化的多功能硫固定剂和促进剂。相关论文以题为“Revealing the Rapid Electrocatalytic Behavior of Ultrafine Amorphous Defective Nb2O5-x Nanocluster towards Superior Li-S Performance”于2020年3月17日发表在ACS Nano上。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c00799
高能量/功率密度和长寿命的先进电化学储能系统的开发作为一项关键的实现可持续供应的改造技术而受到了广泛的关注。其中Li-S电池因其高理论能量密度而被认为是最具竞争力的储能系统之一。但问题也很突出，即：多硫化锂（LPS）的溶解和穿梭效应，以及其缓慢的转换动力学。在这种情况下，多孔碳已被认为是适应硫和提高电子电导率的主体材料，特别是微孔碳。然而，非极性碳质材料对LPS亲和力差，限制了LPS的固定和缓慢的硫动力学，导致穿梭效应抑制不理想，库仑效率低。
通过添加极性材料如铌基金属化合物（NbMC），能够展现对LPS的强大亲和力，为改善硫的电化学提供了很大的前景。同时，缺陷工程已被公认为能够将电子结构调整到更有利的物理和电化学性能，有利于Li-S电池中的电子/离子转移和硫的固定/催化。氧空位在NbMC中的应用进一步增强了对LPS的化学束缚，降低了硫氧化还原反应的活性能。然而，NbMC普遍存在严重的粒子团聚现象，从而导致LPS转换的活性位点有限，电极内离子/电子输运差。因此，为了促进离子/电子传导和Li-S反应动力学，合理设计硫正极对提高电池性能起着至关重要的作用。
在此，本文开发了一种类似草莓的纳米结构，其中具有非晶态结构和丰富氧空位的超细Nb2O5-x纳米团簇被植入碳纳米球的微孔中，用于提高了Li-S的性能，展现了非晶和缺陷结构在增强LPS吸附性方面的优越性。注入骨架的A-Nb2O5-x纳米团簇能够使硫分布均匀，从而暴露出大量的活性界面，为快速氧化还原反应提供较短的离子/电子传输途径。此外，A-Nb2O5-x的低结晶度特征控制了LPS的化学亲和力，而缺陷则提高了用于快速电化学转化的本征电导率和催化活性。
图1.（A）Nb2O5-x、A-Nb2O5和T-Nb2O5的XRD图谱；（B）Nb2O5吸附Li2S6后的紫外-可见光谱 ；（C，D）T-Nb2O5（001）和Nb2O5-x（001）优化几何构型和相应的Li2S6 Eads；（E）T-Nb2O5、A-Nb2O5和Nb2O5-x的电导率；（F-H） Nb2O5-x、A-Nb2O5和T-Nb2O5硫正极材料0.2C时的电压曲线、倍率性能以及循环性能。
图2.（A）A-Nb2O5-x@MCS的合成工艺；（B-J）A-Nb2O5-x@MCS的TEM图像及性对应的EELS元素分析。
图3. （A）MCS、A-Nb2O5+MCS、T-Nb2O5+MCS和A-Nb2O5-x@MCS的XRD图谱；（B，C）N2吸附-脱附等温线和相对应的孔径分布；（D-G）A-Nb2O5-x@MCS和A-Nb2O5@MCS的拉曼光谱、Nb 3dXPS图谱、O 1s XPS图谱和EPR图谱；（H）Nb L3-边XANES图谱；（I）A-Nb2O5-x@MCS的FLY和TEY XANES图谱。
图4. LPS相互作用和催化表征
基于以上特点，由A-Nb2O5-x@MCS制备的Li-S电池在高硫载量和低电解液/硫的比下拥有6.62 mAh cm-2的高面积容量，且具有优异的倍率性能和能够以0.024%的超低容量衰落率稳定循环1200圈。
图5.电化学性能的比较
总之，这项工作为快速和持久的硫电化学性能提供了在结晶和氧缺陷方面的协同调节作用，对于在相关的储能和转换领域开发实际可行的电极材料和Li-S电池具有很大的前景。（文：Caspar）
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