锂硫电池因其理论容量高、能量密度高以及低成本被视为下一代储能系统。众所周知，锂硫电池中可溶性多硫化锂的穿梭效应与高的转化势垒，阻碍了活性物质的高效利用与商业化进程。锂硫电池正极的主要问题是多硫化物严重的穿梭效应和缓慢的电化学转化动力学。基于前期的结构设计研究（J. Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），在体系中引入高活性的缺陷金属氧化物或金属单原子催化剂能够显著降低反应势垒，促进多硫化物转化（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 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. Interfaces 2020, 12,12727）。进一步研究发现锂离子的传输动力学对电池的倍率性能影响很大，特别是在高面积载量的锂硫软包电池体系中。
针对上述滞后的多硫化锂转化与锂离子传输动力学问题，中科院苏州纳米所 王健博士与蔺洪振研究员在快速锂离子通道型氧化铌催化剂中引入设阴离子氧空位，结合理论计算，分析了阴离子氧空位催化剂在高面积载量的锂硫软包电池中对多硫离子锚定作用及加速锂离子传导作用，提出了阴离子氧空位催化剂助力快速充电电池概念。
图1 富含阴离子氧空位的AOV-Nb2O5-x@HHPC催化剂的工作机理及锂硫软包电池循环性能。
纳米碳负载富含阴离子氧空位氧化铌催化剂（AOV-Nb2O5-x@HHPC）的合成流程如图2，结合了简单水热及后续热处理的方法。电子显微镜发现制备的纳米氧空位催化剂粒子的尺寸非常小且均匀分布在三维导电网络的纳米碳材料中。结合了XPS与Raman光谱，证实了更多的氧空位存在于AOV-Nb2O5-x@HHPC复合材料中。
图2 Nb2O5@HHPC和Nb2O5-x@HHPC的结构与形貌表征。
通过紫外吸收光谱可以明显看出经AOV-Nb2O5-x@HHPC吸附催化后残余多硫化锂溶液的浓度显著降低。理论模拟进一步显示了多硫化物与氧空位基催化剂表面的作用力显著增强，并且形成了Nb-S键（图3）。对称电池的循环伏安性能，硫化锂的沉积能力及Tafel曲线测试都显示了空位基催化剂能够提高多硫化物的转换速率，提高锂离子的动力学性能。将硫正极的面积载量增加至4.2mg cm-2，添加少量的电解液，制备的软包电池初始面容量可高达3.54 mA h cm-2并可以稳定循环几十次，表明了阴离子氧化空位催化剂在锂硫电池中的有巨大应用前景（图4）。
图3 基于Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC对Li2S6物理吸附光学图片及理论模拟结果。
图4 基于Nb2O5@HHPC@S和AOV-Nb2O5-x@HHPC@S的锂硫电池的电化学测试。
以上的研究成果的第一作者/通讯作者为 程双、王健博士、蔺洪振研究员，以“Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors forhigh-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell”为题，发表在Chemical Engineering Journal期刊中。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128172。这些工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及Alexander von Humboldt Foundation等基金项目支持。
