NBN在鋰硫電池中的應(yīng)用潛力

鋰硫電池（LSB）比容量（1675 mAh g?1）和能量密度（2600 Wh kg?1）比鋰離子電池高好幾倍。鋰離子電池采用低成本、無(wú)毒的硫陰極被認(rèn)為是最有前途的下一代充電電池系統(tǒng)。然而，在其商業(yè)化之前，仍有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。例如，由于LiPS在有機(jī)電解液中溶解而產(chǎn)生的穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致硫利用率低和金屬鋰的腐蝕。此外，硫和Li2S2/Li2S的絕緣特性會(huì)阻礙電子傳遞，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢。過(guò)大的體積膨脹（80%）會(huì)加速電極材料的粉碎，導(dǎo)致容量的快速下降。因此，開(kāi)發(fā)一種固定化LPS并加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的策略是LSB商業(yè)化的關(guān)鍵。

來(lái)自山東大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的學(xué)者設(shè)計(jì)并合成了一種將NBN納米晶固定在摻氮碳納米片上，使聚丙烯（PP）膜（NBN@NC/PP）功能化的方法，并且其涂層厚度僅為4μm。該功能改性層可促進(jìn)硫的轉(zhuǎn)變以及鋰的電鍍。一方面，采用NBN@NC/PP隔膜的硫磺電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率容量。第一性原理計(jì)算和X射線(xiàn)光電子能譜分析表明，NbN的良好電化學(xué)性能部分歸因于Nb-S和N-Li鍵的形成，使NbN與鋰聚硫醚之間存在較強(qiáng)的化學(xué)相互作用。微小的納米晶（《2 nm）和團(tuán)簇的形成使NBN與聚硫醚相互作用的表面積最大，從而對(duì)含硫反應(yīng)具有良好的催化作用。NbN@NC/PP電池具有較高的交換電流密度和Li+擴(kuò)散系數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明， NbN的引入確實(shí)加速了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。另一方面，Li//Li對(duì)稱(chēng)電池的性能表明，NbN@NC修飾層可以很好地誘導(dǎo)均勻的鋰沉積。這項(xiàng)工作揭示了NBN在鋰硫電池中的應(yīng)用潛力，并鼓勵(lì)人們探索具有應(yīng)用前景的氮化物，以制造高性能的下一代電池。

圖1.NBN@NC納米片材的合成工藝示意圖及其作為功能分離材料的應(yīng)用

圖2.NbN@NC納米片的形貌和結(jié)構(gòu)。a、b）FESEM圖像。c、d）透射電鏡圖像。e、f）HAADF-STEM圖像。（e）中的插圖顯示了相應(yīng)的顆粒大小分布圖案。g-k）STEM圖像和對(duì)應(yīng)的C（h）、N（i）、Nb（j）和合并圖像（k）的EDX映射。

圖3. a）NbN@NC和Nc的XRD圖譜和b）Raman光譜，c）NbN@NC的N2吸附/脫附等溫線(xiàn)和孔徑分布（插圖），NbN@NC的Nb 3d和N 1s的XPS譜，以及f）NbN@NC的TGA曲線(xiàn)。

圖4.A）硫磺//NbN@Nc在0.1 mV s?1下的CV曲線(xiàn)（電壓范圍為1.7-2.8V）.b）三種Li-S電池在0.1-0.5C下的循環(huán)性能.c）硫//NbN@Nc在0.5C的性能。 d）不同循環(huán)下的恒流充放電曲線(xiàn)三種Li-S電池在0.2C-1.0C下的循環(huán)性能。

圖5.a-c）帶有不同隔膜的Li-S電池峰值電流隨掃描速率的線(xiàn)性變化曲線(xiàn)。d）采用不同隔膜的鋰硫電池在放電和充電過(guò)程中的反應(yīng)阻力。f）采用不同隔膜的Li-S電池的I-t曲線(xiàn)。g）NbN@NC和NC基對(duì)稱(chēng)電池在10 mV s?1下的CV曲線(xiàn)。

圖6.a）Li2S，b）Li2S4，c）Li2S6和d）Li2S8在NbN（111）晶面上的吸附配位。e）帶PP、NC/PP和NbN@NC/PP隔板的Li//Li對(duì)稱(chēng)電池的電壓分布為1 mA cm?2，剝離/電鍍?nèi)萘繛? mAh cm?1。f）帶NbN@NC/PP隔板的對(duì)稱(chēng)電池的倍率性能。

綜上所述，本文采用熱解氮化法設(shè)計(jì)并制備了均勻分布在N摻雜碳片（NbN@NC）表面的極性NbN納米粒子，作為鋰硫電池的新型隔膜改性劑。NBN與LiPSs之間較大的結(jié)合能可以抑制LiPSs的溶解，緩解穿梭效應(yīng)等。NBN的催化作用加速了LiPS的轉(zhuǎn)化和Li2S在表面的成核。NC納米片為NBN納米粒子提供了更多的吸附位置，這可以防止納米粒子的團(tuán)聚，并將更多的活性中心暴露在化學(xué)吸附LiPS上。本工作為將NBN應(yīng)用于高性能鋰硫電池中LiPS的配制和鋰的均勻沉積提供了重要的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。