伴随着5G、AI等新兴前沿技术的快速发展，智能可穿戴设备在各种终端数码产品、微型医疗器械、乃至军事国防等领域均具有非常广泛的应用前景。“万物互联”的终端离不开高性能电池的驱动，因此研究具有高比能、高形变耐受力且高安全的柔性储能器件具有重要的基础研究和应用价值。
锂硫电池具有非常可观的能量密度（2600 Wh/kg），被广泛视作最具发展潜力的下一代电化学储能系统之一。但锂硫电池在实际应用的过程中也面临着硫正极导电性差、反应过程动力学迟滞以及放电中间产物多硫化锂（LiPSs）会产生“穿梭效应”等难题。
近日，河南师范大学李欢欢课题组（硕士生陈会芹为学生一作）基于具有天然离子扩散通道的Nb2O5，以柔性碳布（CC）为基底构建了一例自分支状Nb2O5纳米阵列（NBCC），实现了对LiPSs的充分捕捉和高效催化。
图1 NBCC及S@NBCC的简要制备过程及其物相与形貌表征 图1i 展示了S@NBCC的简要制备过程。首先通过原位水热反应将Nb2O5纳米阵列修饰到柔性碳基底上，随后借助熔融法载硫即可得到目标产物：具有柔韧自支撑结构的复合硫正极—S@NBCC。图1A-D是对S@NBCC的物相组成和形貌表征。在XRD谱图中，可以明显地发现S和Nb2O5所对应的特征峰，SEM结果表明Nb2O5呈现出独特的自分支状结构，且活性组分硫均匀地锚定于NBCC，而相应的EDS谱图则进一步证明了S和Nb2O5与CC的成功复合。 图2 NBCC具有良好的柔韧性和“亲电解液”特性 图2可以看到，自分支状的阵列设计不仅赋予了NBCC出色的缓解硫正极体积变化的能力，还具备突出的柔韧性能；与此同时，NBCC所展现出的“亲电解液”特性则利于Nb2O5丰富活性位点的充分发挥，从而显著提升宿主结构对LiPSs的捕捉效率。 图3 S@NBCC的良好电化学性能 图3展示了S@NBCC及其对比样品S@CC在不同测试条件下的电化学性能。可以看到，S@NBCC所对应的CV和充放电曲线较S@CC表现出更强的电流响应和较低的极化电势，且其倍率性能和长循环稳定性均优于对比样品。这表明在引入自分支状Nb2O5纳米阵列后，电极材料的整体电荷转移效率和反应动力得到了显著增强。这使得具有自支撑结构的S@NBCC即使在1C倍率下经300次循环可逆比容量仍有759.6 mAh g−1 。 图4 (A) Li2S6溶液分别加入CC和NBCC静态吸附后的光学照片及其所对应的紫外-可见吸收光谱；吸附实验后NBCC基底中所检测到的(B-D) S 2p，Nb 3d, 和Li 1s 的XPS谱图。(E-F)对称电池测试中NBCC及CC的CV和EIS表现。 XPS测试结果表明NBCC对LiPSs具有较强的化学吸附作用，而自分支状的阵列结构则为其供了充足的活性位点。图中的可视化静态吸附及紫外可见光谱测试则直接证明了NBCC可以从类电解液中吸附以Li2S6为代表的LiPSs。对称电池测试中，更强的电流响应和大幅降低的界面转移电阻则进一步证实了NBCC对于降低电极极化，提升反应动力的作用。为进一步理解Nb2O5对LiPSs的作用方式，在相同充放电条件下测试了Nb2O5的充放电曲线并分析了其微分电容曲线特征，如图5所示，Nb2O5可以作为“离子-电子源”，促进电荷与硫物种之间的高效反应，从而提高硫的利用率。 图5 Nb2O5的 (A) 循环伏安及其对应的 (B) 微分电容曲线；(C) Nb2O5在充放电过程中对LiPSs/Li2S间相互转化的促进作用 在此工作中，作者设计并制备了一种新型的柔性杂化电极结构，该结构集成了自分支状Nb2O5纳米阵列和由CC构成的导电网络。S@NBCC自支撑电极所表现出的优异性能主要归因于：Nb2O5纳米阵列凭借其丰富的活性位点和对LiPSs的强化学吸附作用，极大的促进了对LiPSs的吸附和转化效率；高导电性的CC基底和Nb2O5独特的“房柱式”晶体结构为硫正极提供了一个立体的电子/离子传输网络，为实现快速的界面反应动力、保证硫的充分利用奠定了基础。得益于上述结构特点，该结构设计能够有效优化对LiPSs的吸附和催化转化机制，使S@NBCC在高硫负载下仍能实现可观的循环稳定性。该工作为构筑集高效电荷输运、稳定化表界面于一体的高面载量柔性硫正极材料提供了一种新的策略。 点击“阅读原文”直达上述文章 Self-branched Nb2O5 nanoarrays as the “electron-ion reservoirs” to enhance the conversion of polysulfides in flexible Li-S batteries Huanhuan Li,* Huiqin Chen, Yuxin Chen, Guangyue Bai,* Mengjie Zhang, Shanshan Xie,* and Kelei Zhuo Inorg. Chem. Front., 2021, 8, 4341-4348
