双功能空腔多孔结构过渡金属氮化物/硫正极材料的设计及构效关系研究

Sulfur is a promising cathode material for high performance lithium ion battery due to its high theory capacity. However, the insulation of sulfur and polysulfide shuttle effect restrict its electrochemical properties. Combining with carrier materials can improve the electrochemical performance of sulfur, but the most extensive carbon-base material can only adsorb polysulfide through physical interaction, which cannot effectively solve the existing problem of the sulfur cathode. In order to improve the performance of sulfur cathode, this project intends to adopt the high conductivity of transition metal nitrides as carriers to improve the electron transport of sulfur. Simultaneously, the hollow porous structure and the strengthen chemical bond between superficial polar of nitride with polysulfide can inhibit shuttle effect. This project mainly focus on studying controlled synthesis of hollow porous structure of nitrides by using in situ topology conversion technology, the influence of species and structure on electrochemical performance of sulfur, and structure-activity relationship between micro-nano structure of nitride and electrochemical performances of sulfur cathode. The successful development of this work will provide a novel avenue for high performance lithium sulfur battery.

硫是具有广阔应用前景的高比容量锂离子电池正极材料，但硫的绝缘性和多硫阴离子的穿梭效应一直限制其电化学性能的发挥。与载体材料复合能够提高硫正极的电化学性能，但目前研究最为广泛的碳基载体仅能通过物理吸附作用于多硫阴离子而不能有效解决硫正极存在的上述问题。以提高硫正极性能为导向，本项目拟采用高导电性过渡金属氮化物作为载体材料提高硫的电子传导速率，同时，通过载体表面与多硫阴离子形成的强化学健和空腔多孔结构来抑制穿梭效应，实现载体作用于硫正极的双功能性。采用原位拓扑转换技术可控制备空腔多孔结构氮化物载体；借助物性表征、电化学动力学测试并结合理论计算揭示载体对硫正极电化学性能的影响规律；建立硫的微纳结构与电化学性能的构效关系。本项目的顺利实施将为高性能硫正极的开发和锂硫电池的商业化应用提供新的理论依据和研究思路。

锂离子电池作为二次储能器件备受关注，其中硫是目前可商业化应用中比容量最高的正极材料，但硫元素自身的绝缘性及电池反应过程中产生的多硫化物的绝缘性和穿梭效应一直限制其电化学性能的发挥。本项目针对硫正极体系中存在的问题，围绕项目的研究内容和目标开展研究。在研究中发展了过渡金属氮化物的制备工艺，制备了氮掺杂的碳、碳包覆的介孔氮化铌纳米线、碳掺杂空心碳球负载的过渡金属氮化物（MxNy, M= Fe, Co, Ni）等一系列载体材料；通过热注入方法对载体材料进行载硫，并对硫复合正极进行系统的物性表征、电化学性能测试；通过对具有不同物相、结晶结构、形貌、比表面积、孔尺寸、孔径分布和电导率的复合正极材料进行电化学性能的测试，建立了载体材料的微纳结构与硫正极电化学性能的构效关系；实现了通过载体表面与多硫阴离子形成的强化学作用和多孔结构来抑制穿梭效应；通过物性表征、电化学性能测试并结合第一性原理计算揭示了载体对硫正极电化学性能的影响规律。复合硫正极材料表现出优异的电化学性能，即使在2C倍率电流下，其可逆比容量也能达到750 mAh g-1。本项目的研究为载体材料对硫正极的电化学性能影响提供了理论支持和实验参考，并对推进具有高比容量的硫正极材料的应用具有重要的科学和实际借鉴意义。