近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊，設計并制備出一種氮化鈮-氧化鈮異質結構納米片，可同時作為鋰硫電池的正極與負極載體，有效地抑制了多硫化物的穿梭效應和金屬鋰負極枝晶的生長，應用該異質結構的鋰硫電池在貧電解液、低負正極容量比、高硫載量條件下，展示出優異電化學性能。
鋰硫電池具有高的理論能量密度，被視為高比能電池中最具潛力的鋰離子電池技術之一。然而，鋰硫電池的實際應用受到硫正極的多硫化物穿梭、氧化還原反應動力學慢、負極鋰枝晶生長等問題的限制，造成鋰硫電池倍率和循環性能較差。此外，鋰硫電池中正極硫載量低和電解液用量大，以及負極金屬鋰過量的問題會降低鋰硫電池的實際能量密度。因此，設計一種對多硫化物具有高吸附能力、高催化活性以及優異親鋰性能的載體材料，能夠實現鋰硫電池在高硫載量、貧電解液和低鋰負極用量下高效穩定的循環，是突破鋰硫電池應用瓶頸的有效方法。
鈮基異質結構納米片用于貧電解液鋰硫電池示意圖
近日，該團隊針對鋰硫電池存在的科學問題和技術瓶頸，制備出一種鈮基異質結構納米片。該異質結構同時結合了氧化鈮對多硫化物的強吸附能力和氮化鈮對多硫化物的高催化活性，并具有優異的親鋰表面。該團隊將其同時應用于鋰硫電池的正極和負極載體，有效地提高了對多硫化物的吸附催化轉化能力，并可以抑制鋰枝晶的生長。此外，基于該材料的正負兩極匹配得到成的鋰硫電池，在高硫負載量6.9mg/cm2、低負正極容量比2.4:1、電解液體積硫質量比5.1 l/mg的條件下面積容量可達5.0mAh/cm2。這種異質結構的設計策略，為實現面向實用化需求的高性能鋰硫電池電極設計提供了新的思路。
相關研究成果以題為“Interfacial Engineering of Bifunctional Niobium (V)‐Based Heterostructure Nanosheet Toward High Efficiency Lean‐Electrolyte Lithium–Sulfur Full Batteries”發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。該工作的第一作者是大連化物所二維材料化學與能源應用研究組2016級博士研究生石浩東。上述工作得到國家重點研發計劃項目、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。
