金属所制备出高功用锂电池电极资料

硫作为正极资料，具有较高的理论比容量(比现有商用正极资料的容量高出一个数量级)，一起还具有成本低价、储量丰厚和环境友好等长处，因而锂硫电池被认为是电化学储能中最有远景的新一代电池之一。可是锂电池在走向实践使用过程中，仍有许多疑问亟待处理，如硫和放电产品硫化锂的低电导率、在充放电过程中构成的可溶性多硫化物在正负极间的络绎效应等，会明显影响电池的倍率功用和循环寿数。为了处理这些疑问，可经过在电极资猜中，引进客体资料(如碳资料、金属氧化物和氮化物等)构成多组元复合电极，使用客体资料的高导电性和对多硫化物的吸附、约束作用来按捺络绎效应，然后进步锂硫电池功用。

近期，中国科学院金属研讨所沈阳资料科学国家（联合）实验室领先炭资料研讨部储能资料与器材研讨组在高功用多组元复合硫电极资料方面展开了系列研讨工作。他们首先选用密度泛函理论核算，以氮掺杂石墨烯作为模型，发如今不一样的氮掺杂方法中吡啶氮的团簇能够较强地吸附多硫化物分子，并提出了组元与多硫化物相互作用的能量判别联系。在此基础上，经过氨气高温处理氧化石墨烯的办法，获得了具有优良电化学功用、高含氮量的氮掺杂石墨烯。为了进一步进步对多硫化物的约束作用，将碳纳米管对多硫化物的物理约束作用与有机硫聚合物中碳-硫键对多硫化物的化学约束作用相联系，将有机硫聚合物装填到阳极氧化铝为模板合成出的碳纳米管中，制备出有机硫聚合物/碳纳米管复合资料(图1)。该复合资料经过碳纳米管的管腔物理约束多硫化物溶解，一起使用有机硫聚合物中的碳-硫键进行化学方法固定硫，协同按捺了多硫化物的络绎效应。

可是，锂电池厂商关于非极性的碳资料，即便经过掺杂等处理仍不能进一步进步其对极性多硫化物的有用吸附，然后难以彻底按捺络绎效应。理论核算的结果表明，使用极性氧化物来化学吸附多硫化物、按捺络绎效应的作用要明显优于碳资料。可是绝缘的氧化物会阻止电子和锂离子的传输，下降硫的使用率和倍率功用。怎么归纳两者的特点，找到高导电的极性吸附资料就变成研讨的中心。为此，研讨人员提出构建具有化学锚定多硫化物的碳基复合资料电极的研讨思路，将碳纳米资料和具有化学锚定多硫化物功用的高导电金属氮化物相联系，选用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资料集流体的三维孔道中（如图2所示）。这种复合的正极构造既充分使用了石墨烯三维骨架和孔构造，又联系了高导电的极性氮化钒对多硫化物的化学吸赞同转化促进作用，有用处理了由“络绎效应”带来的容量衰减及库伦功率低等疑问，获得了优良的电化学功用。比较于单一的石墨烯电极，氮化钒/石墨烯复合电极的极化更小、氧化复原反响动力学更快，显现了较好的倍率和循环功用，在高能锂硫电池的使用中也许具有无穷潜力。一起，金属氮化物是一个大家族，其高导电性与化学极性的特征，可为有关电化学使用供给新挑选。

基于以上电池网研讨结果的有关论文别离发表于《纳米-动力》（Nano Energy 2016, 25, 203-210）、《碳》（Carbon 2016,108,120-126）、《领先资料》（Advanced Materials DOI:10.1002/adma.201503835）和《天然-通讯》（Nature Communication DOI: 10.1038/ncomms14627）。上述工作得到了国家重点研发方案项目、国家天然科学基金项目、中科院先导项目、中科院青年立异促进会和金属所立异基金项目等的赞助。

有机硫聚合物(a) 和有机硫聚合物/碳纳米管复合资料(b)的合成示意图；有机硫聚合物/碳纳米管复合资料(c)和膜电极(d)的扫描电镜相片；物理和化学两层约束的有机硫聚合物/碳纳米管与单一物理约束的硫/碳纳米管复合资料的倍率功用 (e)和循环功用(f)比照。

(a)氮化钒/石墨烯复合资料的制备及锂硫电池拼装示意图；氮化钒/石墨烯复合资料的扫描电镜相片(b)和扫描透射电镜相片(c)；(d)氮化钒/石墨烯复合资料对多硫化物的吸附功用；氮掺杂石墨烯(e)与氮化钒(f)与多硫化物相互作用的理论核算模型。