Advanced Energy Materials:金属氧化物基导电网络设计助力高性能长寿命锂硫电池

随着便携式电子设备的不断更新换代,人类对于可充电二次电池的能量密度提出了更高的要求。但是目前商业化的锂离子电池几乎已经开发至理论容量极限,无法进一步满足现代科技日益增长的能源需求,因此开发新的电池体系显得尤为必要。锂硫电池因其低成本,高理论容量和高环境友好性而被认为是未来高能量密度电池体系的理想候选者,受到全世界科研工作者的广泛关注,也是未来世界各国重点布局的研究方向之一。但是锂硫电池的商业化进程仍然受制于一些技术问题,比如硫的室温绝缘性,硫在充放电过程中发生的体积变化和硫的反应中间产物在电解液中的大量溶解等,这些问题使得锂硫电池的循环稳定性和倍率性能无法满足实用化需求。

图1:a) Nb2O5-x/CNTs的结构和工作机理示意图;b) Nb2O5-x/CNTs的SEM图像;c, d) Nb2O5-x/CNTs的TEM图像;e, f) Nb2O5-x/CNTs的HRTEM图像;g) Nb2O5-x/CNTs的STEM图像和相对应的元素分布

近日,河北工业大学张永光副教授,华南师范大学王新副教授联手滑铁卢大学陈忠伟院士共同开发了一种三维连续富含氧缺陷的有序多孔Nb2O5-x/CNTs作为锂硫电池正极硫载体,实现了强多硫化锂固定作用和快速的氧化还原反应动力学。Nb2O5在作为硫宿主的应用中潜力巨大,但是目前已知的相关研究全部依靠将少量纳米化Nb2O5和碳基材料进行复合后作为硫载体。含量受限的Nb2O5无法真正发挥其优势,但是当提升Nb2O5的含量时,其较差的电导率无法实现快速的氧化还原反应动力学。因此,该工作开发了一种三维连续的以Nb2O5为主体的硫宿主材料,同时为了克服Nb2O5导电性不足的缺陷,在合成过程中引入碳纳米管作为导电网络,合成的材料兼具高Nb2O5载量和高导电性。三维连续的Nb2O5结构为离子、电子传输提供了快速通道,能够实现快速的物质转移。而且Nb2O5骨架上富含的微孔、介孔也为反应的发生提供了丰富的活性位点。此外,作者在研究过程中还发现引入的碳纳米管不仅能够提升Nb2O5框架的电导率,还因碳的还原性而提升了Nb2O5的氧缺陷含量。理论计算和实验结果表明,氧缺陷的引入使得Nb2O5对于多硫化物的吸附能力显著提高,还能够催化硫氧化还原反应的发生,实现快速的反应动力学。基于上述优势,使用Nb2O5-x/CNTs硫正极组装得到的锂硫电池实现了高循环稳定性(在1C的测试条件下经过500圈循环后放电比容量仍能保持847 mAh g−1),优异的倍率性能(在5C的测试条件下表现出741 mAh g−1的放电比容量),即使在6 mg cm−2的高载硫量条件下也能保持6.07 mAh cm−2的面载容量。

这项工作通过合理地结合结构设计和缺陷工程来协同提升锂硫电池的性能,为锂硫电池的设计提供新的思路和见解,同时也可以启发其他相关储能和转换领域的目标材料设计。相关论文在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002076)上,论文第一作者是王加义和李高然博士。

陈忠伟院士简介:加拿大滑铁卢大学化学工程系教授,滑铁卢大学电化学能源中心主任,加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席,加拿大皇家科学院院士,加拿大工程院院士,全球高被引科学家。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池,金属空气电池,锂离子电池,锂硫电池,锂硅电池,液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc.,Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文330余篇,被引 28500余次, H-index 指数86,并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。