NBN在锂硫电池中的应用潜力

锂硫电池（LSB）比容量（1675 mAh g−1）和能量密度（2600 Wh kg−1）比锂离子电池高好几倍。锂离子电池采用低成本、无毒的硫阴极被认为是最有前途的下一代充电电池系统。然而，在其商业化之前，仍有几个关键问题需要解决。例如，由于LiPS在有机电解液中溶解而产生的穿梭效应，导致硫利用率低和金属锂的腐蚀。此外，硫和Li2S2/Li2S的绝缘特性会阻碍电子传递，导致电荷转移动力学缓慢。过大的体积膨胀（80%）会加速电极材料的粉碎，导致容量的快速下降。因此，开发一种固定化LPS并加速反应动力学的策略是LSB商业化的关键。

来自山东大学和中国科学院上海硅酸盐研究所的学者设计并合成了一种将NBN纳米晶固定在掺氮碳纳米片上，使聚丙烯（PP）膜（NBN@NC/PP）功能化的方法，并且其涂层厚度仅为4µm。该功能改性层可促进硫的转变以及锂的电镀。一方面，采用NBN@NC/PP隔膜的硫磺电池具有良好的循环稳定性和倍率容量。第一性原理计算和X射线光电子能谱分析表明，NbN的良好电化学性能部分归因于Nb-S和N-Li键的形成，使NbN与锂聚硫醚之间存在较强的化学相互作用。微小的纳米晶（《2 nm）和团簇的形成使NBN与聚硫醚相互作用的表面积最大，从而对含硫反应具有良好的催化作用。NbN@NC/PP电池具有较高的交换电流密度和Li+扩散系数，实验证明， NbN的引入确实加速了反应动力学。另一方面，Li//Li对称电池的性能表明，NbN@NC修饰层可以很好地诱导均匀的锂沉积。这项工作揭示了NBN在锂硫电池中的应用潜力，并鼓励人们探索具有应用前景的氮化物，以制造高性能的下一代电池。

图1.NBN@NC纳米片材的合成工艺示意图及其作为功能分离材料的应用

图2.NbN@NC纳米片的形貌和结构。a、b）FESEM图像。c、d）透射电镜图像。e、f）HAADF-STEM图像。（e）中的插图显示了相应的颗粒大小分布图案。g-k）STEM图像和对应的C（h）、N（i）、Nb（j）和合并图像（k）的EDX映射。

图3. a）NbN@NC和Nc的XRD图谱和b）Raman光谱，c）NbN@NC的N2吸附/脱附等温线和孔径分布（插图），NbN@NC的Nb 3d和N 1s的XPS谱，以及f）NbN@NC的TGA曲线。

图4.A）硫磺//NbN@Nc在0.1 mV s−1下的CV曲线（电压范围为1.7-2.8V）.b）三种Li-S电池在0.1-0.5C下的循环性能.c）硫//NbN@Nc在0.5C的性能。 d）不同循环下的恒流充放电曲线三种Li-S电池在0.2C-1.0C下的循环性能。

图5.a-c）带有不同隔膜的Li-S电池峰值电流随扫描速率的线性变化曲线。d）采用不同隔膜的锂硫电池在放电和充电过程中的反应阻力。f）采用不同隔膜的Li-S电池的I-t曲线。g）NbN@NC和NC基对称电池在10 mV s−1下的CV曲线。

图6.a）Li2S，b）Li2S4，c）Li2S6和d）Li2S8在NbN（111）晶面上的吸附配位。e）带PP、NC/PP和NbN@NC/PP隔板的Li//Li对称电池的电压分布为1 mA cm−2，剥离/电镀容量为3 mAh cm−1。f）带NbN@NC/PP隔板的对称电池的倍率性能。

综上所述，本文采用热解氮化法设计并制备了均匀分布在N掺杂碳片（NbN@NC）表面的极性NbN纳米粒子，作为锂硫电池的新型隔膜改性剂。NBN与LiPSs之间较大的结合能可以抑制LiPSs的溶解，缓解穿梭效应等。NBN的催化作用加速了LiPS的转化和Li2S在表面的成核。NC纳米片为NBN纳米粒子提供了更多的吸附位置，这可以防止纳米粒子的团聚，并将更多的活性中心暴露在化学吸附LiPS上。本工作为将NBN应用于高性能锂硫电池中LiPS的配制和锂的均匀沉积提供了重要的实验和理论依据。