武漢科技大學/華中科技大學Nano Energy：自支撐的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩定性的鋰硫電池正極材料

【引言】

由于理論能量密度高達2560Wh/kg，鋰硫電池被認為是最有前景的儲能體系之一。雖然經過了幾十年的發展，但是鋰硫電池的大規模應用仍然受到一些因素的限制，其中中間產物多硫化物的穿梭效應以及硫的導電性能差是最突出的問題。近年來，除了采用各種高比表面碳對多硫化物進行物理限制外，研究人員也嘗試將極性的金屬氧化物（如SiO₂，TiO₂，MnO₂，V₂O₅）和硫化物（如TiS₂，WS₂，CoS₂）加入硫電極中來，從而有效地吸附可溶性多硫化物，抑制穿梭效應，改善鋰硫電池的循環穩定性。然而大多數金屬氧化物與硫化物導電性差，嚴重阻礙了電子傳導，從而導致了低的硫利用率和較差的倍率性能。因此需要尋找具有高電導率和強吸附能力的電極材料來進一步提升鋰硫電池的性能。

【成果簡介】

9月10日，Nano Energy發表題為“自支撐的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩定性的鋰硫電池正極材料”（Freestanding carbon encapsulated mesoporous vanadium nitride nanowires enable highly stable sulfur cathodes for lithium-sulfur batteries）的研究論文，第一作者為武漢科技大學博士生李星星，通訊作者為武漢科技大學的高標和華中科技大學的霍開富。

【本文亮點】

碳包覆介孔氮化釩納米線（MVN@C NWs）核殼結構具有以下優勢：

（1）具有高導電性的多孔VN作為內核，不僅為硫單質提供了負載空間，而且為電子的快速傳輸提供了通道；

（2）VN內核的化學吸附作用和微孔碳外殼的物理阻擋作用協同抑制了多硫化物的穿梭效應，極大地提高了循環性能；

（3）多孔結構的VN可以適應充放電過程中硫的體積變化；

（4）VN內核具有優異的催化性能，能夠有效加速多硫化物向固態硫化鋰的轉變動力學；

（5）S/MVN@C NWs自支撐薄膜由相互交織納米線組成，無需任何的導電劑和粘結劑，提高了硫載量，并表現出良好的柔性。

【圖文導讀】

圖1.（a）S/MVN@C NWs制備過程示意圖以及在充放電過程中抑制穿梭效應的示意圖。

以氧化釩納米線為前驅物，通過簡單的多巴胺包覆和氨氣處理，以及后續硫的負載來獲得S/MVN@C NWs 薄膜電極。由于VN和微孔碳層對多硫化物表現出強的化學吸附和有效的物理阻礙作用，從而有效地抑制了多硫化合物的穿梭效應并提高循環穩定性。

圖2. S/MVN@C NWs結構與成分表征。

結合電鏡圖片和面掃結果可以看出硫納米顆粒大小為2-5nm，并且主要分布在VN的介孔中。S/MVN@C NWs電極最高硫載量可達82.6wt%。

?（a, b）分別為S/MVN@C NWs的TEM圖和HR-TEM圖；

（c）為S/MVN@C NWs的STEM圖片，和S、V、C元素的面掃；

（d）為S/MVN@C NWs組成的柔性電極的照片和厚度；

（e）為不同硫載量S/MVN@C NWs的熱重圖；

（f）MVN@C NWs負載硫前后的XRD圖。

圖3. S/MVN@C NWs電極性能圖

S/MVN@C NWs由于具有化學吸附和物理阻礙雙重作用以及高的電導率，使得電極材料在不同載量條件下都具有很好的穩定性。同時在高電流條件下，仍能保持較高的比容量。

（a）S/MVN@C NWs不同載量的循環性能圖；

（b）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的倍率性能圖；

（c）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的循環性能圖。

圖4.VN對多硫化物的吸附能力的表征

證明了VN對多硫化物的化學吸附主要來源于兩者之間形成強的V-S鍵。

（a）不同樣品多硫化物溶液吸附性能；

（b）圖（a）中的上層清液紫外可見吸收光譜圖；

（c, d）200次循環后樣品的V 2p和S 2p XPS圖譜。

圖5. S/MVN@C NWs在1C電流下循環200圈前后的SEM圖

循環前后的形貌并沒有明顯的變化，證明多孔的核殼結構能夠很好的緩沖在充放電過程中的硫的體積變化。

（a, b）S/MVN@C NWs在1C電流下循環200圈前后的SEM圖

【小結】

本工作設計了一種具有核殼結構的S/MVN@C NWs作為的鋰硫電池電極材料。VN內核的化學吸附作用和催化功能以及微孔碳外殼的物理阻擋作用協同解決了多硫化物的穿梭效應，可以極大的提高鋰硫電池的循環性能。同時，這種由高導電性的多孔VN和碳組成核殼結構不僅可以為電子的快速傳輸提供了通道，還可以適應充放電過程中硫的體積變化。實驗結果表明基于上述策略而設計的S/MVN@C NWs電極材料具有高的比容量，優秀的倍率和循環穩定性，在高性能鋰硫電池領域表現出潛在的應用前景。

原文鏈接：Freestanding carbon encapsulated mesoporous vanadium nitride nanowires enable highly stable sulfur cathodes for lithium-sulfur batteries (Nano Energy, 2017, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.09.018)

本文由文章的第一作者李星星投稿，特此感謝！

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