氮化鉬中間層緩解鋰硫電池穿梭效應難題

近日，哈爾濱工業大學張乃慶教授研究團隊設計出了一種石墨烯負載氮化鉬納米片結構的鋰硫電池中間層，其具有阻擋多硫化鋰和防止硫化鋰堆積的作用，能有效緩解鋰硫電池容量嚴重衰減的問題，進而延長單次充電的續航時間。該研究成果以MoN Supported on Graphene as a Bifunctional Interlayer for Advanced Li-S Batteries為題已發表在國際期刊Advanced Energy Materials上。

鋰硫電池是以硫元素作為正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池，其理論比能量高達 2600Wh/kg，遠高於目前主流的三元電池，是破解新能源汽車“里程焦慮”備選項之一。

但是，其在實際應用中仍受到較大的阻礙，一是由於硫單質及還原產物多硫化合物（Li2S/Li2S2）的導電率較低，導致鋰硫電池中活性物質利用率低，倍率性能差；二是在迴圈過程中會產生的可溶性多硫化物，導致“穿梭效應”的出現，從而降低硫活性物質的利用率，造成鋰硫電池不可逆容量的損失。因此，抑制多硫化物的穿梭效應是提高鋰硫電池綜合性能的關鍵。

研究人員表示，解決“穿梭效應”的有效手段是在正極和隔膜之間插入能夠阻擋多硫化鋰通過的中間層。

對此，張乃慶課題組研製出了一種石墨烯負載氮化鉬納米片結構的中間層，其在一定程度上能緩解鋰硫電池的難題。

研究表明，氮化鉬和多硫化鋰之間的強化學鍵合和色散相互作用能夠有效阻止多硫化鋰的擴散；氮化鉬的路易士酸性表面可以通過共價-活化機制降低硫化鋰中鋰-硫鍵的結合，促進硫化鋰的分解。

實驗結果顯示，使用石墨烯負載氮化鉬納米片結構中間層的碳-硫複合正極在1C倍率下，迴圈1500次後容量衰減率僅為每次迴圈0.023%；在7mg/cm2的高硫負載面密度下，0.1C倍率下迴圈後仍有6.02mAh/cm2的面積比容量。可見，採用該中間層後鋰硫電池的電化學性能表現極其良好，這也證明了解決“穿梭效應”問題的中間層設計理念的先進性。

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