多硫化物的穿梭效应和Li2S的缓慢成核是阻碍锂硫电池进一步发展的主要问题。合理设计具有催化功能的硫载体材料是促进多硫化物转化的有效策略。与其他类型的过渡金属化合物相比，具有高导电性和催化性能的过渡金属硼化物更适合作为硫载体材料。山东大学许教授通过简单的固相反应合成了具有丰富高效催化活性的二硼化铌纳米粒子。NbB2具有很高的导电性和催化性，可以调控Li2S的三维成核和生长，降低反应能垒，加速多硫化物的转化。因此，在0.2C下100次循环后，NbB2的正极表现出1014 mAh G1的稳定容量，5/10 CC下的初始容量高达703/609 mAh G1，稳定循环超过1000/1300次，1000/1300次循环后的容量衰减率低至0.057%/0.051%。当硫含量为16.5mg·cm2时，初始表面容量高达17m ah·cm2，在0.1C循环40次后容量仍保持在10mh·cm2以上。这一工作为改善多硫化物转化动力学和调节Li2S·3D的成核提供了一种简单的方法，可进一步应用于高能量密度锂硫电池。相关成果发表在ACS Nano上，题为“二硼化铌纳米粒子加速多硫化物转化并引导li2s核实现高面积容量锂电池”。原文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01179锂硫电池是目前最有前景的电池系统之一。锂硫电池的多电子反应在充放电过程中经历固-液-固相变。在此过程中，中间多硫化物溶于电解液，可被浓度梯度和阴阳极间的电场(穿梭效应)驱动，导致库仑效率低，容量衰减。同时，硫的导电性差导致相关转化反应的动力学缓慢。为了克服这些缺陷，人们提出了许多策略，如阴极载体材料的设计、电解液的优化和集流体的改进。其中，硫载体材料的设计最为常见，从多孔碳到石墨烯、碳纳米管都有。与碳材料相比，各种金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物和磷化物，已被广泛报道作为硫载体材料。根据多硫化物氧化还原反应的顺序，在多硫化物转化过程中不可避免地会发生电荷转移。由于需要额外的表面扩散，这需要具有高催化性能的载体材料。铌基材料，如Nb2O5和NbC，已被报道抑制“穿梭效应”并加速多硫化物的氧化还原反应动力学，表明铌基材料的巨大潜力。虽然化学作用部分抑制了“穿梭效应”，但金属原子提供的活性位有限，循环稳定性无法进一步提高。因此，迫切需要开发有效的吸附策略和吸附材料来提高吸附效率。与其他极性金属化合物不同，硼化物的B元素具有空轨道的电子结构，可以通过B-S键锚定多硫化物。所以金属元素和B元素都能化学吸附多硫化物，从而丰富了化学锚定点。二硼化铌(NbB2)可以满足上述要求，但由于其合成困难，所以很少受到关注。基于低温固相合成法，作者制备了NbB2纳米粒子作为硫载体，以缓解“穿梭效应”并促进多硫化物转化。首先，与其他铌基化合物相比，NbB2纳米粒子具有较高的导电性和丰富的催化活性，可以有效地促进多硫化物的电化学转化。其次，纳米NbB2可以增强多硫化物氧化还原催化位点的暴露，减少电解质的使用，提高实际应用的可行性。第三，B原子和Nb原子都能有效吸附多硫化物，增强多硫化物的锚定作用。原位XRD揭示了转化反应的原理，验证了NbB2能有效加速多硫化物的转化，促进Li2S的成核。此外，吸附能、吉布斯自由能、电荷差和多硫化物态密度的第一性原理计算进一步揭示了NbB2的强极性和促进多硫化物转化的机理。由于纳米NbB2的优点，NbB2/NPG/S的正极表现出优异的电化学性能，组装电池也表现出优异的倍率性能和循环稳定性，表明其具有很高的应用潜力。这项工作强调了设计具有导电和催化功能的硫载体在改善多硫化物转化动力学和引导锂硫电池中Li2S沉积方面的重要性。(文:李殊)
图1 nb B2和NbB2/S复合材料的表征和分析
图2 NbB2和NPG上Li2S6溶液静置前后的照片，(c-d)Nb3d的XPS和UV光谱i) NbB2 c-d) NbB2/Li2S6，(e-f)nb B2和NPG的CV曲线，(g-h)nb B2和NPG的Li2S成核曲线，(i) NbB2和NPG的Li2S成核和生长速率。
图3 nbb 2和NPG对多硫化锂的催化和吸附的测试和物理表征
图4 nb B2/NPG和NPG引导的硫化锂沉积的表征和比较
图5硼化铌和NPG的电化学性能
图6 nbb 2/npg/s阴极的电化学性能、自由能和XRD原位分析
图7 Nb B2的DOS计算，Nb和B表面分别与不同多硫化物反应的电荷差。
图8 Li2S 6和LI2S的PDOS计算，锂离子沿Nb端和B端的扩散路径。本文来自微信微信官方账号“材料科学与工程”。欢迎转载，请联系，未经允许拒绝转载至其他网站。
