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山大徐立強(qiáng)EnSM: 基于超細(xì)硼化鋯納米顆粒構(gòu)建鋰硫電池的雙向催化劑

多功能主體材料具有高導(dǎo)電性和強(qiáng)化學(xué)吸附能力，可以定向催化多硫化鋰的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，因此，其合理的設(shè)計被認(rèn)為是解決鋰硫電池臭名昭著的“穿梭效應(yīng)”的有效策略。

在此，山東大學(xué)徐立強(qiáng)教授等人通過固態(tài)合成在相對較低的溫度（600 °C）下方便地制備了高電導(dǎo)率的超細(xì)硼化鋯 (ZrB₂) 納米粒子，并將其用作鋰硫電池的硫主體材料，其超細(xì)顆粒（~10 nm）可以有效地增加活性位點。

此外，得益于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、催化轉(zhuǎn)化能力和多硫化物的化學(xué)吸附能力，所獲得的ZrB₂基正極在倍率測量中顯示出在0.1 C時1501 mAh g^-1和2 C時870 mAh g^-1的高容量。此外，ZrB₂/NG（摻氮石墨烯）/S正極在5 C下4000次循環(huán)期間每個循環(huán)的衰減率為0.02%，在20 C的超高倍率下可提供約400 mAh g^-1的容量。

圖1. ZrB₂/NG/S正極在0.1 C和5 C時的循環(huán)性能

要實現(xiàn)實際應(yīng)用中鋰硫電池的高能量密度，需要增加硫負(fù)載并減少電解液用量。驗證實驗顯示，在 8.03 mg cm^-2的高硫負(fù)載和貧電解液（E/S = 8 μL mg^-1）條件下，該正極獲得了8.08 mAh cm^-2的高面積容量。即使在1 C的高倍率下，具有7.77 mg cm^-2質(zhì)量負(fù)載的正極面積容量高達(dá)6.43 mAh cm^-2。這些結(jié)果表明硼化鋯的高導(dǎo)電性、強(qiáng)極性和雙向催化性能促進(jìn)了多硫化物在空間中的轉(zhuǎn)化。

與報道的其他類型的功能材料相比，B和Zr可以協(xié)同調(diào)節(jié)多硫化物轉(zhuǎn)化動力學(xué)，為高性能硫正極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供了理論依據(jù)。同時，該工作的材料制備策略為其他硼化物和納米材料的合成提供了指導(dǎo)，有助于進(jìn)一步推動硼化物在鋰硫電池中的應(yīng)用。

圖2. 基于ZrB₂/NG/S正極的軟包電池的電化學(xué)性能

Ultrafine zirconium boride nanoparticles constructed bidirectional catalyst for ultrafast and long-lived lithium-sulfur batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.039

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