鋰硫電池（Li-S）相對(duì)于傳統(tǒng)鋰離子電池具有更高的理論能量密度（2500 Wh/kg），有望成為未來(lái)儲(chǔ)能應(yīng)用（包括大規(guī)模智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車和移動(dòng)電子設(shè)備等）最有前景的候選體系之一。近年來(lái)，人們提出了多種策略來(lái)嘗試實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化，如開(kāi)發(fā)新型正極復(fù)合材料、中間層或隔膜裝飾、多功能粘結(jié)劑和電解液添加劑等。其中，針對(duì)硫正極的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以對(duì)硫基活性物質(zhì)產(chǎn)生最直接的限域效應(yīng)，極性宿主材料的引入可以更進(jìn)一步地增強(qiáng)對(duì)鋰多硫化物的化學(xué)吸附，從而提高電池循環(huán)穩(wěn)定性。但是非碳極性宿主固有的低電子導(dǎo)電性通常導(dǎo)致低的硫利用率，尤其是在高負(fù)載下硫分布不均勻時(shí)這種劣勢(shì)更為凸顯，因此，探索更具導(dǎo)電性的極性宿主材料及其與碳骨架的充分接觸方式十分必要。
近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝合作，設(shè)計(jì)出催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)的、具有緊湊型二維催化-導(dǎo)電界面的硫宿主材料，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的鋰硫電池，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie（2020，doi.org/10.1002/anie.202004048）上。
金屬氮化物的d-軌道相互重疊，其電子電導(dǎo)率與金屬相當(dāng)，并且在吸附鋰多硫化物方面是理想的極性材料，具有促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和潛在電催化的作用。然而，金屬氮化物在碳骨架中的復(fù)合方式有限，通常只是納米顆粒氮化物與碳骨架的點(diǎn)-點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸，接觸面積有限，以致電荷傳輸能力受限，因此建立極性宿主顆粒（或位點(diǎn)）與碳骨架之間足夠接觸的連續(xù)界面（面-面接觸）仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，空載和非極性體積空間通常在松散的硫宿主框架中占較高的比例，離散的催化劑納米晶域和導(dǎo)電基底之間的點(diǎn)接觸無(wú)法消減這類非催化活性空間的占比，這一現(xiàn)象會(huì)阻礙高載量鋰硫電池的發(fā)展。合理的正極設(shè)計(jì)和微結(jié)構(gòu)復(fù)合可以使空載和非極性體積空間最小化，有望促進(jìn)緊湊型鋰硫電池的發(fā)展。基于此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種具有連續(xù)二維催化-導(dǎo)電界面的兼具催化和電子轉(zhuǎn)移功能的MoN-C-MoN “三明治”宿主結(jié)構(gòu)作為鋰硫電池的硫正極宿主材料。這種三層結(jié)構(gòu)沿厚度方向存在于單個(gè)納米片顆粒中，促使了雙面外層氮化物極性表面對(duì)S/Li2Sx的強(qiáng)保形吸附和高效轉(zhuǎn)化，以及中間碳夾層的高通量電子轉(zhuǎn)移。這些二維形貌的“三明治”結(jié)構(gòu)單元可進(jìn)一步自組裝成有序的三維織構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和催化網(wǎng)絡(luò)的互連。
即使宿主骨架的比表面積低（97 m2/g），吸附/催化平面的最大程度的暴露使得MoN-C@S電極在高S負(fù)載（75.7 wt%）和1C（1C = 1672 mA/g）倍率下仍可穩(wěn)定循環(huán)至少1000圈，且每圈容量衰減率僅為0.033%，即使在4C高倍率下比容量也可維持在515 mAh/g。將S含量增加到3.4 mg/cm2后，這種三層結(jié)構(gòu)的緊致硫宿主仍然表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，在500圈循環(huán)后其容量仍能保持在604 mAh/g。這種催化和導(dǎo)電功能之間的協(xié)同工作模式保證了S/Li2Sx的均勻沉積，避免了它們?cè)诟弑堵屎烷L(zhǎng)時(shí)間循環(huán)后的電極厚化和失活（電極鈍化）。該工作報(bào)道的螯合-氨化方法為C和MoN相的有序分離和面-面接觸提供了保證，也為二維氮化物的制備提供了新的合成方法。
以上研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助和支持。
催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)作為緊湊型二維硫宿主材料助力高穩(wěn)定性鋰硫電池
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