金钟/张伟/马连波ACS Nano：MB-VN电催化剂助力Li-S电池在宽温度内运行

在恶劣环境下，能正常工作的高性能锂-硫（Li-S）电池备受关注，但是低温下多硫化物转化反应动力学缓慢以及高温下多硫化物穿梭的问题仍有待解决。

基于此，南京大学金钟教授、广东工业大学张伟副教授和安徽工业大学马连波博士等人报道了一种用于Li-S电池的多分支氮化钒（MB-VN）电催化剂。使用MB-VN修饰的隔膜，Li-S电池在室温下提供出色的倍率性能（3.0 C时707 mAh g^-1）和良好的循环稳定性（1.0 C下400次循环后678 mAh g^-1）。

当含硫量为6.0 mg cm^-2，电解液体积约为6 μL mg_s^-1时，Li-S电池的面容量高达5.47 mAh cm^-2。即使在较宽的温度范围内（-20 °C至+60 °C），Li-S电池在高电流下仍保持稳定的循环性能。

通过DFT计算，作者研究了MB-VN和VS₄的电催化活性。总态密度（DOS）揭示了电化学氧化还原反应过程中费米能级附近的丰富电子，可有效地促进催化活性。

在不同电催化剂上，元素S₈依次转化为Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S₂和Li₂S的吉布斯自由能（ΔG），其中从Li₂S₄到Li₂S₂的转化是MB-VN电催化剂的速率决定步骤（RDS），对应的ΔG值仅为1.39 eV。

对于VS₄电催化剂，RDS（从Li₂S₂到Li₂S）的ΔG为1.51 eV，高于MB-VN电催化剂。结果表明，在MB-VN电催化剂上，硫的电化学氧化还原反应更有利。

此外，MB-VN电催化剂的能垒为0.67 eV，远低于VS₄电催化剂的能垒，表明在MB-VN电催化剂上Li₂S的分解速度较快。因此，理论上证明了MB-VN电催化剂在电化学反应中可以双侧催化多硫化物的快速转化。

Wide-Temperature Operation of Lithium-Sulfur Batteries Enabled by Multi-Branched Vanadium Nitride Electrocatalyst. ACS Nano, 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01469.

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