硫作為正極資料，具有較高的理論比容量(比現(xiàn)有商用正極資料的容量高出一個(gè)數(shù)量級(jí))，一起還具有成本低價(jià)、儲(chǔ)量豐厚和環(huán)境友好等長(zhǎng)處，因而鋰硫電池被認(rèn)為是電化學(xué)儲(chǔ)能中最有遠(yuǎn)景的新一代電池之一?？墒?a href="http://www.gechai.cn/mall/5/">鋰電池在走向?qū)嵺`使用過(guò)程中，仍有許多疑問(wèn)亟待處理，如硫和放電產(chǎn)品硫化鋰的低電導(dǎo)率、在充放電過(guò)程中構(gòu)成的可溶性多硫化物在正負(fù)極間的絡(luò)繹效應(yīng)等，會(huì)明顯影響電池的倍率功用和循環(huán)壽數(shù)。為了處理這些疑問(wèn)，可經(jīng)過(guò)在電極資猜中，引進(jìn)客體資料(如碳資料、金屬氧化物和氮化物等)構(gòu)成多組元復(fù)合電極，使用客體資料的高導(dǎo)電性和對(duì)多硫化物的吸附、約束作用來(lái)按捺絡(luò)繹效應(yīng)，然后進(jìn)步鋰硫電池功用。

近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研討所沈陽(yáng)資料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先炭資料研討部?jī)?chǔ)能資料與器材研討組在高功用多組元復(fù)合硫電極資料方面展開了系列研討工作。他們首先選用密度泛函理論核算，以氮摻雜石墨烯作為模型，發(fā)如今不一樣的氮摻雜方法中吡啶氮的團(tuán)簇能夠較強(qiáng)地吸附多硫化物分子，并提出了組元與多硫化物相互作用的能量判別聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)氨氣高溫處理氧化石墨烯的辦法，獲得了具有優(yōu)良電化學(xué)功用、高含氮量的氮摻雜石墨烯。為了進(jìn)一步進(jìn)步對(duì)多硫化物的約束作用，將碳納米管對(duì)多硫化物的物理約束作用與有機(jī)硫聚合物中碳-硫鍵對(duì)多硫化物的化學(xué)約束作用相聯(lián)系，將有機(jī)硫聚合物裝填到陽(yáng)極氧化鋁為模板合成出的碳納米管中，制備出有機(jī)硫聚合物/碳納米管復(fù)合資料(圖1)。該復(fù)合資料經(jīng)過(guò)碳納米管的管腔物理約束多硫化物溶解，一起使用有機(jī)硫聚合物中的碳-硫鍵進(jìn)行化學(xué)方法固定硫，協(xié)同按捺了多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)。

可是，鋰電池廠商關(guān)于非極性的碳資料，即便經(jīng)過(guò)摻雜等處理仍不能進(jìn)一步進(jìn)步其對(duì)極性多硫化物的有用吸附，然后難以徹底按捺絡(luò)繹效應(yīng)。理論核算的結(jié)果表明，使用極性氧化物來(lái)化學(xué)吸附多硫化物、按捺絡(luò)繹效應(yīng)的作用要明顯優(yōu)于碳資料?？墒墙^緣的氧化物會(huì)阻止電子和鋰離子的傳輸，下降硫的使用率和倍率功用。怎么歸納兩者的特點(diǎn)，找到高導(dǎo)電的極性吸附資料就變成研討的中心。為此，研討人員提出構(gòu)建具有化學(xué)錨定多硫化物的碳基復(fù)合資料電極的研討思路，將碳納米資料和具有化學(xué)錨定多硫化物功用的高導(dǎo)電金屬氮化物相聯(lián)系，選用一步水熱法將氮化釩納米帶負(fù)載在三維石墨烯基體上，以多硫化鋰作為活性物質(zhì)填充在石墨烯與氮化釩復(fù)合資料集流體的三維孔道中（如圖2所示）。這種復(fù)合的正極構(gòu)造既充分使用了石墨烯三維骨架和孔構(gòu)造，又聯(lián)系了高導(dǎo)電的極性氮化釩對(duì)多硫化物的化學(xué)吸贊同轉(zhuǎn)化促進(jìn)作用，有用處理了由“絡(luò)繹效應(yīng)”帶來(lái)的容量衰減及庫(kù)倫功率低等疑問(wèn)，獲得了優(yōu)良的電化學(xué)功用。比較于單一的石墨烯電極，氮化釩/石墨烯復(fù)合電極的極化更小、氧化復(fù)原反響動(dòng)力學(xué)更快，顯現(xiàn)了較好的倍率和循環(huán)功用，在高能鋰硫電池的使用中也許具有無(wú)窮潛力。一起，金屬氮化物是一個(gè)大家族，其高導(dǎo)電性與化學(xué)極性的特征，可為有關(guān)電化學(xué)使用供給新挑選。

基于以上電池網(wǎng)研討結(jié)果的有關(guān)論文別離發(fā)表于《納米-動(dòng)力》（Nano Energy 2016, 25, 203-210）、《碳》（Carbon 2016,108,120-126）、《領(lǐng)先資料》（Advanced Materials DOI:10.1002/adma.201503835）和《天然-通訊》（Nature Communication DOI: 10.1038/ncomms14627）。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)方案項(xiàng)目、國(guó)家天然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、中科院青年立異促進(jìn)會(huì)和金屬所立異基金項(xiàng)目等的贊助。

有機(jī)硫聚合物(a) 和有機(jī)硫聚合物/碳納米管復(fù)合資料(b)的合成示意圖；有機(jī)硫聚合物/碳納米管復(fù)合資料(c)和膜電極(d)的掃描電鏡相片；物理和化學(xué)兩層約束的有機(jī)硫聚合物/碳納米管與單一物理約束的硫/碳納米管復(fù)合資料的倍率功用 (e)和循環(huán)功用(f)比照。

(a)氮化釩/石墨烯復(fù)合資料的制備及鋰硫電池拼裝示意圖；氮化釩/石墨烯復(fù)合資料的掃描電鏡相片(b)和掃描透射電鏡相片(c)；(d)氮化釩/石墨烯復(fù)合資料對(duì)多硫化物的吸附功用；氮摻雜石墨烯(e)與氮化釩(f)與多硫化物相互作用的理論核算模型。