鋰硫電池因其理論容量高、能量密度高以及低成本被視為下一代儲能系統。眾所周知，鋰硫電池中可溶性多硫化鋰的穿梭效應與高的轉化勢壘，阻礙了活性物質的高效利用與商業化行程。鋰硫電池正極的主要問題是多硫化物嚴重的穿梭效應和緩慢的電化學轉化動力學。基於前期的結構設計研究（J.Power Sources，2016，321，193；Nano Energy，2017，40，390），在體系中引入高活性的缺陷金屬氧化物或金屬單原子催化劑能够顯著降低反應勢壘，促進多硫化物轉化（ACS Appl.Mater.Interfaces2020，12，12727；Energy Storage Mater.，2020，28，375；ChemSusChem，2020，13，3404；Energy Storage Mater.2019，18，246；Energy Environment.Mater.2020，DOI: 10.1002/eem2.12152；ACS Appl.Mater.Interfaces2020，12，12727）。進一步研究發現鋰離子的傳輸動力學對電池的倍率效能影響很大，特別是在高面積載量的鋰硫軟包電池體系中。
針對上述滯後的多硫化鋰轉化與鋰離子傳輸動力學問題，中科院蘇州納米所王健博士與藺洪振研究員在快速鋰離子通道型氧化鈮催化劑中引入設陰離子氧空位，結合理論計算，分析了陰離子氧空位催化劑在高面積載量的鋰硫軟包電池中對多硫離子錨定作用及加速鋰離子傳導作用，推動了快充電電池的商業化行程。
圖1富含陰離子氧空位的AOV-Nb2O5-x@HHPC催化劑的工作機理及鋰硫軟包電池迴圈效能。
納米碳負載富含陰離子氧空位氧化鈮催化劑（AOV-Nb2O5-x@HHPC）的合成流程如圖2，結合了簡單水熱及後續熱處理的方法。電子顯微鏡發現製備的納米氧空位催化劑粒子的尺寸非常小且均勻分佈在三維導電網絡的納米碳資料中。結合了XPS與Raman光譜，證實了更多的氧空位存在於AOV-Nb2O5-x@HHPC複合材料中。
圖2 Nb2O5@HHPC和Nb2O5-x@HHPC的結構與形貌表徵。
通過紫外吸收光譜可以明顯看出經AOV-Nb2O5-x@HHPC吸附催化後殘餘多硫化鋰溶液的濃度顯著降低。理論類比進一步顯示了多硫化物與氧空位基催化劑表面的作用力顯著增强，並且形成了Nb-S鍵（圖3）。對稱電池的迴圈伏安效能，硫化鋰的沉積能力及Tafel曲線測試都顯示了空位基催化劑能够提高多硫化物的轉換速率，提高鋰離子的動力學效能。將硫正極的面積載量新增至4.2 mg cm-2，添加少量的電解液，製備的軟包電池初始面容量可高達3.54 mA h cm-2並可以穩定迴圈幾十次，表明了陰離子氧化空位催化劑在鋰硫電池中的有巨大應用前景（圖4）。
圖3基於Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC對Li2S6物理吸附光學圖片及理論類比結果。
圖4基於Nb2O5@HHPC@S和AOV-Nb2O5-x@HHPC@S的鋰硫電池的電化學測試。
以上研究成果的第一作者程雙、王健博士，通訊作者為藺洪振研究員，以“Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell”為題，發表在ChemicalEngineeringJournal。文章連結：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128172。這項工作得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金及Alexander von Humboldt Foundation等基金項目支持。
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