麦立强：氮掺杂石墨烯-TiN纳米线复合正极创造锂硫电池面密度的新高度！

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近期，武汉理工大学的麦立强教授与许絮研究员（共同通讯作者）课题组在Advanced Materials上发表关于锂硫电池的最新进展，文章主要报道了通过制备氮掺杂石墨烯/TiN纳米线复合正极材料（3DNG/TiN）来改善锂硫电池的循环稳定性与倍率性能。通过使用具有多孔结构且导电性良好的氮掺杂石墨烯，能够改善锂硫电池正极的离子电导与电子电导，而与TiN纳米线进行复合后，TiN对多硫产生较强的化学吸附作用，能够缓解锂硫电池循环过程中的多硫穿梭效应，从而综合改善锂硫电池倍率性能与循环稳定性。即使正极材料中硫的面密度高达9.6 mg cm-2，在8.03 mA cm-2的电流密度下，该材料的放电容量依然可以高达 12.0 mAh cm-2。

由于具有较高的理论能量密度（2600 Wh kg-1）与正极比容量（1675 mAh g-1），锂硫电池被认为是很有前景的下一代电化学储能体系。然而，锂硫电池体系中存在的三大问题极大制约了其实际应用的可能性。如，电子绝缘的单质硫与放电产物Li2S会导致活性材料的使用率降低；多硫中间产物的穿梭效应会影响循环性能与降低库伦效率；充放电过程中单质硫与Li2S相互转化带来高达80%的体积膨胀，对正极结构的完整性也是一个潜在的威胁。引入具有丰富孔结构的碳材料是解决上述问题的一个很好的策略。然而，针对多硫的穿梭效应问题，碳材料的丰富孔结构仅仅能够通过物理吸附加以缓解，这种物理相互作用往往较弱，对多硫穿梭效应的抑制不够显著。通过在碳材料中引入金属氧化物，利用其较强的化学吸附来抑制多硫的穿梭效应是一种很好的思路，如TiO2，MnO2等。然而，金属氧化物通常电子电导率较低，影响锂硫电池的倍率性能。

与金属氧化物相比，金属氮化物具有更高的电子电导率与更好的化学稳定性，同时兼具化学吸附作用，能够很好的锚定多硫中间产物，缓解穿梭效应。其中，TiN作为一种常见的高导电性金属氮化物，其对多硫的吸附作用十分显著，已在其他课题组发表的工作中得到证实。

武汉理工大学的麦立强教授与许絮研究员（共同通讯作者）课题组通过将氮掺杂石墨烯与TiN纳米线进行复合，成功制备出具有高电子电导，高离子电导以及强多硫化学吸附功能的3DNG/TiN正极材料，极大的改善了锂硫电池的循环稳定性与倍率性能。即使正极材料中硫的面密度高达9.6 mg cm-2，在8.03 mA cm-2的电流密度下，该材料的放电容量依然可以高达 12.0 mAh cm-2。

通过将氮掺杂石墨烯与TiN纳米线进行复合，本文成功的将锂硫电池正极硫的面载量提升至9.6 mg cm-2，在8.03 mA cm-2的电流密度下，该材料的放电容量依然可以高达 12.0 mAh cm-2，远优于锂离子电池当前的水平，同时，在目前的锂硫电池工作中也处于领先地位。其优异的电化学性能主要归功于以下几点：（1）氮掺杂石墨烯具有三维联通结构且孔道丰富，能够同时兼顾电子电导与离子电导，为提高硫的面载量提供动力学基础（电子传输与离子扩散）；（2）TiN具有很强的化学吸附作用，能够有效地缓解多硫穿梭效应，为锂硫电池的循环稳定性提供支持；（3）TiN在电极材料中的含量合理，在保证不添加过多的非活性物质的同时，能够有效地引入足够的化学吸附活性位点。

A 3D Nitrogen-Doped Graphene/TiN Nanowires Composite as a Strong Polysulfide Anchor for Lithium–Sulfur Batteries with Enhanced Rate Performance and High Areal Capacity. (Advanced Materials., 2018, DOI:10.1002/adma.201804089)

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804089?af=R