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Advanced Functional Materials:多孔碳布结合氮化钒阵列–双重吸附策略助推高性能锂硫电池

随着科技的进步,目前最被广泛使用的商用储能设备-锂离子电池逐渐变得无法满足人们对高能耗电子产品日益增长的需求。锂硫电池作为锂离子电池最具竞争力的替代品之一,具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度,因而受到学界和产业界的广泛关注。然而受限于硫的本征绝缘性质,以及锂硫电池运行中出现的多硫化物的“穿梭效应”,其电化学性能受到严重制约,导致其商业化进程发展缓慢。


Advanced Functional Materials:多孔碳布结合氮化钒阵列--双重吸附策略助推高性能锂硫电池


研究表明,活性物质硫的高效利用和抑制多硫化物的穿梭效应是构建高性能锂硫电池的关键性问题。基于这个目标,浙江大学涂江平课题组的夏新辉研究员(通讯作者)以及博士生钟宇(共同一作)联合新加坡南洋理工大学晁栋梁博士(共同一作)开发了一种多孔氮化钒纳米带负载在多孔碳纤维上的复合支架作为硫单质的载体,能够在锂硫电池运行中实现硫的高效利用和多硫化物的双重吸附效应。研究人员首先利用金属刻蚀法制备出了具有交联多孔形貌的多孔碳纤维(PCF)。这种多孔结构大大增加了载硫能力,并能够缓冲活性物质在电化学可逆反应中的体积膨胀问题,同时,其复杂的孔道能够对多硫化物的扩散进行物理阻挡。接着,在其表面利用溶剂热法生长了氧化钒(V2O5)作为合成氮化钒(VN)的前驱体,将之在氨气中高温处理后,即得到多孔氮化钒纳米带负载在多孔碳纤维上的材料。然后,利用超临界渗流法将单质硫负载在此复合材料中,并组装电池进行测试。实验结果表明,经过金属刻蚀和氮化钒负载的双重改性,碳纤维作为锂硫电池硫载体的能力和其电化学性能得到了大大增强。


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研究人员认为,其原因主要在于以下几点:1)多孔的碳纤维提供了巨大的储硫能力,并拥有额外空间保证其体积膨胀与收缩,同时,交联多孔结构能对多硫化物的穿梭进行物理限制;2)无粘结剂阵列结构可以为电化学反应提供更好的电子、离子传输路径;3)多孔的氮化钒阵列作为一种极性分子化合物,能够对多硫化物进行一个非常强的吸附效应,从而大大减轻了穿梭效应;4)多孔的氮化钒阵列具有大量介孔微孔结构,有利于电解液的扩散和离子的传输,同时也增加了反应活性位点。此外,氮化钒也是一种导电性优异的化合物,它的引入不仅不会造成整体电导率的下降,反而能够加快电化学反应的速度。该碳-氮化物复合材料为开发高性能锂硫电池提供了全新思路。

相关文章在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201706391)上。



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