山大徐立强ACS Nano：硼化物催化主体助力锂硫电池10C循环1300次！

多硫化物的穿梭效应和Li₂S的缓慢成核是阻碍锂硫电池进一步发展的主要问题。合理设计具有催化功能的硫主体材料已成为促进多硫化物转化的有效策略。与其他类型的过渡金属化合物相比，具有高导电性和催化能力的过渡金属硼化物更适合作为硫的主体材料。

山东大学徐立强等通过简便的固相反应合成了具有丰富和高效催化位点的二硼化铌(NbB₂)纳米颗粒，并用作硫主体以减轻“穿梭效应”并促进多硫化物转化。

图1 NbB₂加速多硫化物转化并促进Li₂S成核的示意图

首先，与其他铌基化合物相比，NbB₂纳米粒子具有高导电性和丰富的催化位点，从而可以有效地促进多硫化物的电化学转化。其次，纳米NbB₂可以增强用于催化多硫化物氧化还原位点的暴露，从而可以减少电解液的使用，提高实际应用的可行性。第三，B原子和Nb原子都可以有效吸附多硫化物，从而增强多硫化物的锚定功能。

因此，当用作硫正极的主体材料时，纳米NbB₂有效地提高了多硫化物的转化率，降低了反应动力学，并调节了Li₂S的高容量沉积。更重要的是，NbB₂的高导电性为3D成核和Li₂S的生长提供了有利的成核位点，避免了催化剂表面的钝化，提高了Li₂S的反应动力学。

图2 NbB₂对多硫化物的吸附及对动力学的作用

受益于上述优势，NbB₂正极在100次循环后仍可保持1014 mAh g^-1的高容量。此外，在5C/10C下也实现了703/609 mAh g^-1的高初始比容量，并且可以在 0.057%/0.051%的低衰减率下循环1000/1300次。

即使硫负载量高达16.5 mg cm^-2时，在0.1 C时也可以实现17 mAh cm^-2的高初始面积容量，经过40次循环后，面容量仍可以保持在10 mAh cm^-2以上。总之，这项工作强调了设计导电和催化功能硫主体在增强多硫化物转化动力学和指导锂硫电池中沉积Li₂S的重要性，并可以扩大金属硼化物的应用并激发锂硫电池的发展。

图3 锂硫电池性能

Niobium Diboride Nanoparticles Accelerating Polysulfide Conversion and Directing Li2S Nucleation Enabled High Areal Capacity Lithium–Sulfur Batteries. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01179

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