金属碳化物纳米颗粒作为钠硫电池双功能催化剂的研究

Sodium-sulfur (Na-S) battery, with sodium metal as anode and sulfur as cathde, has been widely studied by researchers due to its high theoretical capacity, abundant resources and low cost. However, the development of room temperature Na-S batteries is hampered by its inhibit disadvantages. For example, low conductivity of sulfur; low kinetic process due to the large size of sodium ions; the soluble polysulfides generated during charge and discharge process, resulting in low coulombic efficiency and poor cycling stability. In order to solve the above problems, it is the most effective way to rationally design the sulfur cathode structure to suppress the "shuttle effect" and improve the utilization of sulfur. This project aims to design a porous carbon material modified with metal carbide nanoparticles as host materials for sulfur, and then study the electrochemical properties of the designed sulfur cathode of Na-S batteries. The porous carbon material can not only improve the conductivity of the sulfur, increasing the utilization of the active material, but also can increase the sulfur loading amount, improving the energy density. On the other hand, as a bifunctional catalyst, metal carbide can not only chemically adsorb polysulfide, but also promote the redox process of polysulfides, reducing the dissolution of polysulfide in the electrolyte, inhibiting the shuttle effect, and improving the cycling and rate performance of Na-S batteries.

钠硫（Na-S）电池以钠金属作为负极，硫单质作为正极，具有理论容高、资源丰富、成本低等优势，受到了研究者的广泛青睐。然而，室温Na-S 电池的发展受很大制约，例如：硫单质的导电性差；钠离子尺寸大，动力学过程缓慢；充放电过程中产生的多硫化物易溶于电解液，导致库伦效率低、容量衰减严重等问题。为了解决室温Na-S电池的上述问题，合理设计硫正极结构来抑制“穿梭效应”，提高硫的利用率，是最有效的途径。本项目旨在设计合成金属碳化物纳米颗粒修饰的多孔碳材料作为硫单质的载体，研究其作为钠硫电池正极材料的电化学特性。多孔碳材料不仅可以改善硫正极的导电性，提高活性物质的利用率，而且能增加硫的负载量，增加能量密度。另一方面，金属碳化物作为双功能催化剂，不仅可以化学吸附多硫化物，而且能促进其氧化还原过程的进行，降低多硫化物在电解液中的溶解，抑制穿梭效应，提高钠硫电池的循环和倍率性能。

随着便携电子设备和电动汽车的发展，人们对电池的能量密度提出了更高的要求。目前商业化的石墨电池很难满足人们的需求。锂金属负极因具有更高的容量(3860 mAh g-1)和最低的还原电位（-3.04 eV）受到了研究者的广泛关注。但是，由于锂金属的高电化学活性，很容易与电解液反应，生成不稳定的固体电解液界面膜（SEI）, 降低库伦效率，导致锂枝晶生长，引起安全问题。因此，调控电解液对于改善锂金属电池的电化学性能起着很重要的决定性意义。以商业电解液为研究对象，通过选取合适的电解液添加剂，调控锂离子的溶剂化结构，改变电极电解液界面膜的结构和成分，提高其稳定性，从而调控锂离子的沉积行为，抑制锂枝晶的生长，提高锂金属电池的安全性能。另一方面，电解液添加剂还可以在三元正极表面形成均匀稳定的正极电解液界面膜（CEI）, 抑制金属的溶出，提高正极结构稳定性，对于提高锂金属电池的能量密度具有重要意义。.重要结果：选取出具有应用前景的几种电解液添加剂：（1）调控溶剂化结构，从而改变SEI的成分和结构：例如：双三氟乙酰胺添加剂可以帮助形成具有梯度结构的SEI膜，该结构由具有C-F键的亲石表面组成，可以均匀捕获锂离子，具有富LiF底层，可以引导锂离子快速传输，最终实现均匀沉积锂离子。（2）形成疏水性的溶剂化结构，抑制电解液中的微水和HF的影响，提高正极材料的稳定性：例如丙烯酸六氟异丙酯中的烯烃基团和非极性全氟碳链(-CF2CF2CF3)具有疏水性，可以保护PF6-阴离子免受微量H2O的攻击，减少HF的产生，提高正负极固体电解质界面的稳定性。（3）改善CEI的成分，减少金属离子的溶出，提高锂金属电池的高压稳定性：例如，三氟甲氧基苯硼酸有利于在正极表面形成富含LixPyOFz的CEI，其中LixPyOFz可以与金属离子络合，抑制其穿梭到负极，提高锂金属电池的高压（4.8 V）稳定性。.这些研究成果和实验数据对于改善锂金属电池的稳定性，提高其能量密度具有重要意义。另外，电解液添加剂也是最容易实现商业化的一种简单有效的策略。