陈忠伟教授/王新副教授AEM：将钒溶解到氮化钛晶格框架中以实现Li-S电池中合理的多硫化物调节- 大数跨境

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陈忠伟教授/王新副教授AEM：将钒溶解到氮化钛晶格框架中以实现Li-S电池中合理的多硫化物调节

科学材料站

2020-12-25

导读：这项工作开发了氮化钛钒（TVN）固溶体作为Li-S电池的三维自支撑正极载体，以实现无集流体和粘结剂的硫正极的使用。

文章信息

将钒溶解到氮化钛晶格框架中以实现Li-S电池中合理的多硫化物调节

第一作者：商超群

通讯作者：陈忠伟*，王新*

单位：滑铁卢大学，华南师范大学

研究背景

先进的储能技术在追求高效，生态和经济的未来能源方面发挥着至关重要的作用。在各种替代方案中，锂硫（Li–S）电池由于其多重优势而吸引了特殊的研究热情。尽管有很多吸引人的优点，但锂-硫电池的实际应用仍然不清楚，主要归因于若干技术挑战。

通常，硫物种固有的较差的电子/离子电导率及其涉及多电子的固液转化决定了硫电化学反应的动力学缓慢。此外，中间的多硫化锂（LiPS）在醚基电解质中的强溶剂化使活性物质严重损失，而LiPS的双向迁移进一步引起所谓的“穿梭效应”，导致库仑效率低，可循环性差。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点

随着便携式电子设备的不断更新换代，对于可充电二次电池的能量密度提出了更高的需求。但是目前锂离子电池体系受制于其理论容量的限制，无法满足进一步增长的能量密度需求，因此开发高能量密度电池体系迫在眉睫。锂硫电池因其具有高能量密度（2600 Wh/kg）、低成本和环境友好性等优势被认为是未来高能量密度电池体系的理想候选者，引起了研究者的广泛关注。但是锂硫电池的商业化进程仍然受制于一些技术问题，比如充放电产物硫/硫化锂的绝缘性、硫在充放电过程中发生的体积变化、电化学反应中间产物多硫化锂的溶解造成穿梭效应以及锂负极界面的副反应严重等，进而造成锂硫电池的循环稳定性和倍率性能不尽人意。

针对硫正极方面，本文提出利用钛钒氮固溶体制备无粘结剂和集流体的三维自支撑硫载体以改善锂硫电池的性能。三维结构具有较大的中空结构来缓解硫/硫化锂相互转化过程中的体积变化；一维纳米结构具有较高的比表面积可以增加与含硫活性成分的接触，提高其利用率；钛钒氮固溶体具有较高的导电性和一定的催化含硫活性成分的转化能力。钛钒氮固溶体的独特结构可将含硫活性成分有效地限制于正极区域，从而抑制穿梭效应并提高锂硫电池的整体电化学性能，同时在高硫负载（6 mg/cm2）的情况下依旧表现出良好的循环性能和倍率性能。

文章简介

近日，滑铁卢大学陈忠伟教授与华南师范大学王新副教授等合作。在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Dissolving Vanadium into Titanium Nitride Lattice Framework for Rational Polysulfide Regulation in Li–S Batteries”的研究工作。这项工作开发了氮化钛钒（TVN）固溶体作为Li-S电池的三维自支撑正极载体，以实现无集流体和粘结剂的硫正极的使用。

本文要点

要点一：本文详尽的诠释了 TVN的表面化学性质及其对多硫化物吸附和催化转化的作用机制，有助于实现快速和持久的锂硫电化学。

要点二：这项工作为高效锂硫电催化剂的精细结构调节提供了一种新颖而有效的制备策略。

要点三：同时，这项工作也对固溶体材料在其他能量存储和转换系统中的设计与合成起到了启示作用。

第一作者专访

1. 该研究的设计思路和灵感来源

氮化钛和氮化钒作为极性导电材料对于多硫化锂的具有吸附和催化的功效已有广泛报道。而钛与钒的原子尺寸接近，在氮化的过程中可以形成固溶体，其中钛钒固溶体在电容器以及锂离子电池方面已有报道，但是在锂硫电池中的报道几乎没有，钛钒固溶体具有更多的活性位点可以有效吸附且同时原位催化多硫化锂的转化。基于前期我们在三维自支撑硫载体的相关工作，我们便设计了基于三维自支撑钛钒氮固溶体的硫载体，并证明了其在锂硫电池中的应用。

2. 该实验的难点有哪些？

该材料在合成过程中主要存在两个难点：

一是静电纺丝工艺的优化，对于静电纺丝的前驱体制备及纺丝过程中的湿度调节极为关键，这些因素的改变决定了能否合成出具有特定结构的三维自支撑材料。

另一个是材料氮化技术的调控。钛因其较好的化学惰性使得利用常规的尿素或三聚氰胺作为氮源时不能使其完全氮化，易出现相分离而无法制备出具有理想组分的钛钒氮固溶体。为此我们在实验中以氨气作为氮源，结合程序升温技术对前驱物进行热处理而得到了纯相的钛钒氮固溶体。

3. 该报道与其他类似报道最大的区别在哪里？

该报道的主要区别在于：

1.提出钛钒氮固溶体对多硫化锂吸附转化的调节作用，相比于常规的氮化钛和氮化钒以及氮化钛/氮化钒异质结复合结构，该固溶体可以有效发挥氮化钛和氮化钒的协同作用，将吸附的多硫化锂直接原位转化，提高硫的利用率并抑制多硫化锂的穿梭效应。

2.在表征方面，我们结合同步辐射，有效分析了钛钒氮固溶体的结构，对于理解固溶体结构与电化学性能之间的构效关系提供了重要支撑。

导师专访

您对该领域的今后研究的指导意见和展望

锂硫电池由于具有高能量密度引起了研究者的广泛关注，但是短期内还无法实现其大规模应用。从 2008 年起关于硫正极方面的研究逐渐出现报道并受到研究者们的青睐。通过这 11 年的不断研究攻关，锂硫正极的研究已经取得了很大的进展。然而在大部分测试中，相比于硫正极而言锂负极的供给量是远远过量的，因此很多研究工作往往忽视了负极部分不可逆的反应对电池性能的影响。

为了抑制锂枝晶的生长，提高锂金属的可逆反应，本文中设计的三维钛钒氮硫载体也可以作为锂金属负极的载体，进一步优化锂/硫容量平衡，获得高硫负载、低锂过量程度的锂硫全电池。此外，在实际应用中电解液/硫比例也非常关键，优化电解液组分，对将来提高锂硫电池的性能也至关重要。

文章链接

Dissolving Vanadium into Titanium Nitride Lattice Framework for Rational Polysulfide Regulation in Li–S Batteries

https://doi.org/10.1002/aenm.202003020

通讯作者介绍

王新，华南师范大学副研究员

主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目8项；目前授权专利16件，以第一作者或通讯作者发表论文58篇，被引次数达2700 次，H 值为 25。相关代表性研究成果以第一作者或通讯作者发表在Nat. Commun.，J. Amer. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B, Energy Storage Mater. 等行业高水平期刊上。

陈忠伟，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，入选全球高被引科学家。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., J. Amer. Chem. Soc.，Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci. 等国际知名期刊发表SCI论文300余篇，被引 30000余次, H-index 指数87，并担任ACS Applied & Materials Interfaces副主编。