硫作為正極資料，具有較高的理論比容量(比現(xiàn)有商用正極資料的容量高出一個數(shù)量級)，一起還具有成本低價、儲量豐厚和環(huán)境友好等長處，因而鋰硫電池被認為是電化學儲能中最有遠景的新一代電池之一。可是鋰電池在走向?qū)嵺`使用過程中，仍有許多疑問亟待處理，如硫和放電產(chǎn)品硫化鋰的低電導率、在充放電過程中構(gòu)成的可溶性多硫化物在正負極間的絡(luò)繹效應等，會明顯影響電池的倍率功用和循環(huán)壽數(shù)。為了處理這些疑問，可經(jīng)過在電極資猜中，引進客體資料(如碳資料、金屬氧化物和氮化物等)構(gòu)成多組元復合電極，使用客體資料的高導電性和對多硫化物的吸附、約束作用來按捺絡(luò)繹效應，然后進步鋰硫電池功用。

近期，中國科學院金屬研討所沈陽資料科學國家（聯(lián)合）實驗室領(lǐng)先炭資料研討部儲能資料與器材研討組在高功用多組元復合硫電極資料方面展開了系列研討工作。他們首先選用密度泛函理論核算，以氮摻雜石墨烯作為模型，發(fā)如今不一樣的氮摻雜方法中吡啶氮的團簇能夠較強地吸附多硫化物分子，并提出了組元與多硫化物相互作用的能量判別聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過氨氣高溫處理氧化石墨烯的辦法，獲得了具有優(yōu)良電化學功用、高含氮量的氮摻雜石墨烯。為了進一步進步對多硫化物的約束作用，將碳納米管對多硫化物的物理約束作用與有機硫聚合物中碳-硫鍵對多硫化物的化學約束作用相聯(lián)系，將有機硫聚合物裝填到陽極氧化鋁為模板合成出的碳納米管中，制備出有機硫聚合物/碳納米管復合資料(圖1)。該復合資料經(jīng)過碳納米管的管腔物理約束多硫化物溶解，一起使用有機硫聚合物中的碳-硫鍵進行化學方法固定硫，協(xié)同按捺了多硫化物的絡(luò)繹效應。

可是，鋰電池廠商關(guān)于非極性的碳資料，即便經(jīng)過摻雜等處理仍不能進一步進步其對極性多硫化物的有用吸附，然后難以徹底按捺絡(luò)繹效應。理論核算的結(jié)果表明，使用極性氧化物來化學吸附多硫化物、按捺絡(luò)繹效應的作用要明顯優(yōu)于碳資料?？墒墙^緣的氧化物會阻止電子和鋰離子的傳輸，下降硫的使用率和倍率功用。怎么歸納兩者的特點，找到高導電的極性吸附資料就變成研討的中心。為此，研討人員提出構(gòu)建具有化學錨定多硫化物的碳基復合資料電極的研討思路，將碳納米資料和具有化學錨定多硫化物功用的高導電金屬氮化物相聯(lián)系，選用一步水熱法將氮化釩納米帶負載在三維石墨烯基體上，以多硫化鋰作為活性物質(zhì)填充在石墨烯與氮化釩復合資料集流體的三維孔道中（如圖2所示）。這種復合的正極構(gòu)造既充分使用了石墨烯三維骨架和孔構(gòu)造，又聯(lián)系了高導電的極性氮化釩對多硫化物的化學吸贊同轉(zhuǎn)化促進作用，有用處理了由“絡(luò)繹效應”帶來的容量衰減及庫倫功率低等疑問，獲得了優(yōu)良的電化學功用。比較于單一的石墨烯電極，氮化釩/石墨烯復合電極的極化更小、氧化復原反響動力學更快，顯現(xiàn)了較好的倍率和循環(huán)功用，在高能鋰硫電池的使用中也許具有無窮潛力。一起，金屬氮化物是一個大家族，其高導電性與化學極性的特征，可為有關(guān)電化學使用供給新挑選。

基于以上電池網(wǎng)研討結(jié)果的有關(guān)論文別離發(fā)表于《納米-動力》（Nano Energy 2016, 25, 203-210）、《碳》（Carbon 2016,108,120-126）、《領(lǐng)先資料》（Advanced Materials DOI:10.1002/adma.201503835）和《天然-通訊》（Nature Communication DOI: 10.1038/ncomms14627）。上述工作得到了國家重點研發(fā)方案項目、國家天然科學基金項目、中科院先導項目、中科院青年立異促進會和金屬所立異基金項目等的贊助。

有機硫聚合物(a) 和有機硫聚合物/碳納米管復合資料(b)的合成示意圖；有機硫聚合物/碳納米管復合資料(c)和膜電極(d)的掃描電鏡相片；物理和化學兩層約束的有機硫聚合物/碳納米管與單一物理約束的硫/碳納米管復合資料的倍率功用 (e)和循環(huán)功用(f)比照。

(a)氮化釩/石墨烯復合資料的制備及鋰硫電池拼裝示意圖；氮化釩/石墨烯復合資料的掃描電鏡相片(b)和掃描透射電鏡相片(c)；(d)氮化釩/石墨烯復合資料對多硫化物的吸附功用；氮摻雜石墨烯(e)與氮化釩(f)與多硫化物相互作用的理論核算模型。