增强多硫化物化学吸附新方法:氮硼双掺杂碳/硫复合物电极

8RS6K1II@G)OB6[NLGXZT_W        锂-硫电池的理论能量密度(2600 Wh kg-1) 远高于现有锂离子电池,因此在近年来受到了广泛关注。但锂-硫电池的实际应用仍面临着诸多困难。其充放电过程所产生的中间产物多硫化锂(Li2Sx, 4 ≤ x ≤8)易溶于有机电解液,且会扩散到金属锂负极,并在负极表面还原成短链的多硫化锂或者硫化锂等产物,短链多硫化锂又会扩散到正极,在充电时被氧化。此过程被称为“穿梭效应”,会导致活性物质的利用率低,循环性能差,自放电严重等问题。

        针对上述问题,多孔碳材料的物理吸附被广泛用于减少多硫化合物扩散,并有效提升了硫正极的性能。近期的研究表明,在碳的骨架中掺杂的氮原子(N)带有的负电荷,可以通过化学成键的方式有效吸附多硫化锂中带正电荷的锂离子,并表现出比物理吸附更强的固定效果。基于上述研究结果,如果电负性强的N元素和电负性更弱的硼(B)元素在碳骨架中结合形成N=B/N-B的结构将有可能进一步提升碳材料对多硫化合物的化学固定作用。其原因是:该结构中氮(N)将具有更强的电负性,而硼(B)则带有更强的电正性。

         依据该设想,复旦大学的王永刚课题组通过在石墨烯表面碳化离子液体[Emim]BF4,成功制备了具有N=B/N-B结构的氮硼共掺杂的碳材料,并将其和硫复合, 用作为锂-硫电池的正极材料。该电极表现出1500圈的长循环寿命,充分说明碳层中N=B/N-B结构能够有效抑制多硫化合物的溶解。此外,该文的合作作者,明尼苏达大学的Donald G. Truhlar教授也通过理论计算进一步证明,该碳层中的N=B/N-B结构对多硫化合物的化学吸附作用高于常规氮掺杂碳材料中的吡咯氮和吡啶氮。这一研究结果为设计对多硫化物具有更强化学吸附碳材料提供了一种新思路。相关研究结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501733)。