锂离子电池目前已经成为人们生活的必须品之一，你可以在生活的各种场合见到它的身影。然而，人们已经愈发意识到现有的锂离子电池系统难以满足不断增长的大容量存储和电力运输需求。为此，全世界的科学家们研究了很多种锂离子电池的替代品，其中锂硫电池无疑是佼佼者，其具有超高的理论能量密度，约为同等条件下锂离子电池的7倍，且相比锂离子电池中的石墨阴极，锂硫电池使用的硫阴极成本更低、毒性更小、加工难度更低。

当然锂硫电池的发展也并不是一帆风顺，硫电极虽然有上述优点，但是其在应用中也有导电性不好、循环使用体积会发生波动、电池反应的中间体多硫化物可能会溶解扩散导致“穿梭效应”等不利因素。利用其他材料负载硫是一种较好的解决方案，如用碳纤维、碳纳米管等纳米结构的碳材料、金属氧化物、金属氮化物等材料作为载体，可以有效抑制多硫化物的穿梭效应。

近日，来自浙江大学的夏新辉教授领导的课题组发表了一项最新研究成果，他们通过简单的化学蚀刻联合溶剂热超临界流体法，将多孔碳纤维和多孔氮化钒结合，制备出了一种复合材料作为硫的载体，并用其制成了无粘结剂的锂硫电池阴极，表现出了高容量、高倍率以及不错的循环性能。相关研究成果发表在昨天的Advanced Functional Materials期刊上。(“Confining Sulfur in Integrated Composite Scaffold with Highly Porous Carbon Fibers/Vanadium Nitride Arrays for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”)

研究人员通过将多孔碳纤维和氮化钒结合形成一种复合骨架，并将硫容纳在其中形成复合电极，具有更大的孔隙率、更强的导电性以及较高的硫负载量(8.1mg/cm2)。据该研究论文显示，这种复合阴极的制备过程分为三个阶段：

1、首先利用Ni通过化学蚀刻法制备了多孔碳纤维，即在碳布上沉积Ni(OH)2层，在热处理后用FeCl3和HCl进行化学蚀刻；

2、随后通过溶剂热法，制备多孔碳纤维/氧化钒复合材料，在NH3气氛下热处理后变成多孔碳纤维/氮化钒复合载体。

3、最后利用超临界CO2流体法制备多孔碳纤维/氮化钒/硫复合阴极。首先将多孔碳纤维/氮化钒和硫加入到研磨罐中，泵入CO2直至压力达到8.5MPa的临界点。研磨12小时后，将制备好的复合材料转移到高压釜，在155℃保持12小时，形成最终的复合阴极。

多孔碳纤维/氮化钒复合载体的制备过程及SEM表征

多孔碳纤维/氮化钒/硫复合阴极的制备过程及SEM表征

研究人员通过比较相同工艺制备的多孔碳纤维/硫阴极等其他电极，并拆解了一些循环后的电池，得出这种复合阴极相比其他电极性能更加优异的主要原因：

1、多孔碳纤维的多孔结构，提供了足够的硫储存空间，且多孔结构的相互连接有效限制了多硫化物的穿梭效应；

2、阴极中未使用粘结剂，为电池的氧化还原过程提供更加有效和稳定的电荷传输路径；

3、多孔氮化钒阵列表面的极性可以与多硫化物产生相互作用，强烈抑制其穿梭效应。

4、绝缘的硫在导电的氮化钒纳米阵列与多孔碳纤维中形成了全方位的导电网络，为活性材料提供了快速的电子传输通道，此外本身氮化钒也具有高催化活性，提高了电池的反应动力学。

值得一提的是，这种独特多孔碳纤维/氮化钒/硫的复合电极，通过物理阻断和化学吸收两种途径实现了对多硫化物的有效抑制，因此锂硫电池常见的多硫化物的穿梭效应被大大抑制。此外该复合电池在0.1C时表现出1310.8mAh/g的高可逆容量，并且在250次循环后仍然具有超过80%的容量保持率，超过了目前已公布的此类电池性能记录。

夏新辉教授领导的这项研究工作通过金属氮化物对锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”的抑制作用，证明了金属氮化物具有极大的潜力和应用价值。也为高性能电池的设计开辟了一条新的道路。

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