范寶億， 張家玉， 許國(guó)保， 楊利文

(湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

隨著各種便攜式電子移動(dòng)設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)等能源設(shè)備的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的鋰離子電池已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前人們對(duì)儲(chǔ)能器件的需求[1-2].因此，開(kāi)發(fā)更高能量密度的新型儲(chǔ)能器件成為了研究的熱點(diǎn).基于多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)的鋰硫電池因其高理論比容量和高能量密度成為了當(dāng)前電化學(xué)領(lǐng)域十分重要的研究方向.此外，鋰硫電池還具有安全性好、成本低、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)[3-4].然而，鋰硫電池在實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的過(guò)程中，仍然還存在著不少問(wèn)題，例如：硫正極和硫化鋰的導(dǎo)電性較差，硫的利用率較低[5]；充放電過(guò)程中，單質(zhì)硫和Li2S因密度不同會(huì)發(fā)生體積膨脹[6].此外，鋰硫電池在充放電過(guò)程中，形成的中間產(chǎn)物多硫化鋰能夠溶解在電解液中，會(huì)在正負(fù)極之間來(lái)回遷移發(fā)生不可逆反應(yīng)，造成嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致電池容量迅速衰減[7-8].

為了解決上述鋰硫電池存在的問(wèn)題，最初的策略是設(shè)計(jì)新穎的納米結(jié)構(gòu)正極硫宿主，通過(guò)載硫基體修飾來(lái)抑制穿梭效應(yīng)[9-12]，這些工作都在改善鋰硫電池性能方面取得了一定效果.然而，當(dāng)考慮整個(gè)電池系統(tǒng)的綜合性能時(shí)，宿主材料的質(zhì)量會(huì)降低硫正極的能量密度.而且這些載硫基體旨在將可溶性多硫化物限制在電極內(nèi)，無(wú)法解決已經(jīng)溶解的多硫化物.

傳統(tǒng)鋰硫電池隔膜大多用的是價(jià)格低廉、機(jī)械強(qiáng)度較大的聚丙烯隔膜，其孔徑較大，不能有效地阻止多硫化物的擴(kuò)散，導(dǎo)致電池容量迅速下降.研究人員發(fā)現(xiàn)選擇合適的功能材料對(duì)鋰硫電池隔膜進(jìn)行修飾改性是提升電池綜合性能的另一個(gè)重要途徑[13-14].多孔碳材料由于其高比表面積、豐富的孔隙率和高電子傳導(dǎo)率等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注[15-17].然而，碳材料對(duì)多硫化物的捕獲是基于弱范德華力相互作用的物理吸附，因此只能在一定程度上減輕多硫化物的擴(kuò)散.目前，已經(jīng)有許多策略來(lái)解決這些問(wèn)題，例如雜質(zhì)原子摻雜[18-19]、與金屬氧化物復(fù)合[20-21]等.Balach等[22]將氮原子摻入到介孔碳中，制備出N摻雜介孔碳涂層，這種獨(dú)特的物理和界面化學(xué)性質(zhì)能夠促進(jìn)正極側(cè)多硫化物的吸附，提高活性材料的利用率，顯著提高電池性能.但是氮與多硫化物的吸附仍然無(wú)法滿足進(jìn)一步需求.而金屬氧化物作為一種極性材料，有著良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，其金屬氧鍵可以與多硫化物發(fā)生化學(xué)作用表現(xiàn)出良好的吸附性能，因此是攔截捕捉多硫化物的最佳選擇.然而大多數(shù)金屬氧化物制備過(guò)程復(fù)雜，條件苛刻，成本較高.實(shí)驗(yàn)證明，金屬氧化物中的Nb2O5具有天然豐富和高耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，是一種獨(dú)特的電子半導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)中具有快速的Li+電導(dǎo)率，能夠?yàn)長(zhǎng)i+提供二維通道[23].與其他金屬氧化物相比，Nb2O5有著對(duì)多硫化物更強(qiáng)的吸附能力[24].此外，Nb2O5還具有電催化能力，能夠加速多硫化物氧化還原動(dòng)力學(xué)[25].

在此，以二維的g-C3N4為模板，將Nb2O5生長(zhǎng)在氮摻雜碳表面，通過(guò)一步水熱和退火制備出五氧化二鈮復(fù)合氮摻雜碳(CN/Nb2O5)材料，并將其涂覆修飾鋰硫電池隔膜.研究表明該復(fù)合材料能有效抑制穿梭效應(yīng)并加速多硫化物的轉(zhuǎn)化，作為隔膜修飾材料能有效提升鋰硫電池的電化學(xué)性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)藥品包括五氯化鈮(NbCl5，99.9%，阿拉丁)、N-甲基吡咯烷酮(NMP，99.0%，Sigma-Aldrich)、異丙醇、無(wú)水乙醇(99.0%，阿拉丁)、尿素.實(shí)驗(yàn)用水是去離子水.所有其他試劑均為分析級(jí)，可直接使用，無(wú)須進(jìn)一步純化.

1.2 材料制備

g-C3N4的制備：用電子天平稱取20 g尿素，稱完之后放入坩堝中，加上蓋，再將其放置于馬弗爐中，在空氣條件下保持550 ℃，持續(xù)4 h.結(jié)束之后，取出坩堝，所得淡黃色粉末狀物體即為g-C3N4.

CN/Nb2O5的制備：如圖1所示，首先稱取300 mg的g-C3N4放入燒杯中，再在燒杯中加入50 mL無(wú)水乙醇，隨后將燒杯放入超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中超聲處理1 h，使g-C3N4均勻分散在乙醇中.另取100 mg的五氯化鈮加入50 mL酒精中，隨后將上述g-C3N4溶液滴入其中，攪拌1 h.將得到的上述混合物放入聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加熱到180 ℃并保持12 h，之后再放入冷凍干燥機(jī)干燥12 h.干燥結(jié)束后將材料在氬氣環(huán)境中以600 ℃高溫處理2 h，可得到最終的Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料.

圖1 CN/Nb2O5的合成示意圖Fig.1 Schematic illustration of the preparation of CN/Nb2O5

1.3 表征方法

樣品的結(jié)構(gòu)由配備有Cu-Kα輻射源(λ = 0.154 nm)的衍射儀通過(guò)X射線衍射技術(shù)(XRD, Rigaku D/Max2500)測(cè)得；樣品的表面形貌通過(guò)掃描電子顯微(SEM，JEOL，JSM-6490)測(cè)得；樣品的比表面積使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)測(cè)得；樣品的組成通過(guò)拉曼光譜儀測(cè)得.

1.4 吸附測(cè)試

在手套箱中，先將體積比為1∶1的二氧戊環(huán)(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)混合，然后再將升華硫(S)和硫化鋰(Li2S)按照5∶1的摩爾比溶解在其中，60 ℃下攪拌12 h，得到深黃色Li2S6溶液.然后稱取20 mg的Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料放入到5 mL的玻璃瓶中，最后再向瓶中加入4 mL濃度為0.005 mol/L的Li2S6溶液，在手套箱中靜置，并觀察溶液顏色變化.

1.5 常規(guī)電池組裝與對(duì)稱電池組裝

稱取質(zhì)量比為6∶3∶1的升華硫、導(dǎo)電炭黑和聚偏氟乙烯黏結(jié)劑(PVDF)混合在N-甲基吡咯烷酮溶液中，攪拌均勻.之后將漿料均勻地涂覆到鋁箔上，然后放入真空干燥箱中干燥12 h，干燥后將其裁剪成直徑為12 mm的圓形電極片，由此得到硫正極.

本次實(shí)驗(yàn)中的鋰硫電池所使用的是電池組件為CR2025扣式電池套裝.以硫作為正極，純金屬鋰片作為負(fù)極，隔膜是使用Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料修飾的Celgard有機(jī)膜.電解液是先將DOL和DME按照1∶1的體積比進(jìn)行混合，然后再加入摩爾比為1∶0.1的LiTFSI和LiNO3，攪拌1 h，所得無(wú)色透明溶液.然后在氬氣環(huán)境下的手套箱中(H2O < 0.5 μL/L，O2< 0.5 μL/L)組裝電池，其中電解液滴在隔膜兩側(cè)，每側(cè)約40 μL，組裝完成后使用壓片機(jī)將電池封口.

對(duì)稱電池的組裝與常規(guī)電池類似.對(duì)稱電池中所用的電極片是Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料與PVDF按照8∶2的質(zhì)量比再加入NMP后混合攪拌得到漿料，以硫正極電極片同樣的制備方法得到對(duì)稱電池所用電極片，然后以此為電極片放置在隔膜兩側(cè)，不含鋰片，其中電解液使用的是濃度為0.5 mol/L的Li2S6溶液.

1.6 電化學(xué)性能測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)的鋰硫電池的電化學(xué)性能采用多通道電池測(cè)試系統(tǒng)(NEWARE BTS-610)進(jìn)行測(cè)試，倍率性能和循環(huán)性能的測(cè)試電壓范圍為1.7～2.8 V，其中倍率性能的電流密度分別為0.5、1、2、3、5 A/g，長(zhǎng)循環(huán)性能的電流密度為2 A/g.電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試和循環(huán)伏安(CV)測(cè)試均采用CHI6600電化學(xué)工作站，其中阻抗的工作頻率范圍是0.01 Hz ～100 kHz，伏安測(cè)試的電壓范圍為1.7～2.8 V，掃速為0.2～1 mV/s.

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌與結(jié)構(gòu)分析

制備的樣品晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)XRD分析進(jìn)行，如圖2(a)所示，22.6 °(001)、28.6 °(100)、36.7 °(101)、46.2 °(002)、50.7 °(110)和56.1 °(102)位置上出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)于Nb2O5特征峰(JCPDS card no. 28-0317).為了進(jìn)一步驗(yàn)證樣品的結(jié)構(gòu)，對(duì)Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料進(jìn)行拉曼測(cè)試，如圖2(b)拉曼圖譜所示，其中239 cm-1左右的峰對(duì)應(yīng)Nb-O-Nb鍵的彎曲模式，而500～800 cm-1范圍內(nèi)的峰對(duì)應(yīng)于氧化鈮多面體的對(duì)稱伸縮模式，還可以觀察到1 350 cm-1的D峰和1 580 cm-1的G峰，其中D峰來(lái)自無(wú)序碳結(jié)構(gòu)，G峰對(duì)應(yīng)于材料中的有序結(jié)晶石墨結(jié)構(gòu)，碳峰的存在表明復(fù)合材料中有碳的存在，這樣能夠有效改善材料的導(dǎo)電性，提高電池的電化學(xué)性能.而圖2(c)是對(duì)材料進(jìn)行熱重分析，在空氣中從室溫開(kāi)始加熱，加熱到600 ℃左右，能夠看到樣品含量減少，計(jì)算得到復(fù)合材料中Nb2O5的含量在83%左右.

圖2 CN/Nb2O5的(a)XRD圖；(b)Raman圖；(c)TGA圖；(d)氮?dú)馕摳角€及孔徑分布圖Fig.2 (a) XRD pattern; (b) Raman pattern; (c) TGA pattern; (d) Nitrogen adsorption-desorption profiles and pore size distributions of CN/Nb2O5

而圖2(d)是材料的氮?dú)馕摳角€圖，其CN/Nb2O5材料的比表面積為96.5 m2/g，從圖中可以看出該曲線表現(xiàn)出典型的IV型等溫曲線，說(shuō)明其具有大量的介孔，提供了更多的吸附位點(diǎn)，能夠?qū)⒍嗔蚧镉行У毓潭?從孔徑分布圖可以看出，孔隙主要分布在2～10 nm之間.

為了了解材料的表面形貌，對(duì)Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料進(jìn)行了SEM表征.如圖3(a)所示，能夠看出純的Nb2O5表面沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)，顆粒無(wú)序的堆積，而圖3(b)能夠看出與碳材料復(fù)合后的CN/Nb2O5材料具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，從而能夠增加暴露的活性位點(diǎn)，有效地限制多硫化物，抑制穿梭效應(yīng).

圖3 (a)純Nb2O5的SEM；(b)Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料的SEMFig.3 (a) SEM image of Nb2O5; (b) SEM image of CN/Nb2O5

2.2 吸附與催化實(shí)驗(yàn)

為了研究Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳對(duì)多硫化鋰的吸附作用，對(duì)該材料進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn).主要實(shí)驗(yàn)方法是將20 mg的Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳和純的Nb2O5分別放入4 mL濃度為0.005 mol/L 的Li2S6溶液中，一開(kāi)始如圖4(a)所示，三瓶溶液顏色基本一致，而在24 h之后，從圖4(b)可以清楚地看到裝有Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料的溶液顏色明顯變淡，而其余兩瓶溶液顏色基本保持不變.這說(shuō)明Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳對(duì)的多硫化物有著優(yōu)異的捕獲能力和較強(qiáng)的化學(xué)吸附能力.

圖4 (a～b)Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料對(duì)Li2S6的吸附實(shí)驗(yàn)Fig.4 Static adsorption of Li2S6 by the CN/Nb2O5

為了研究Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料的電催化能力，以該復(fù)合材料作為正負(fù)極，組裝了對(duì)稱電池，其中電解液為L(zhǎng)i2S6溶液.如圖5所示，對(duì)稱電池測(cè)試是在電壓范圍為-1.5～1.5 V，掃描速率為10 mV/s的條件下進(jìn)行的，其中對(duì)比組是純的Nb2O5所制備的對(duì)稱電池.從圖中可以看出，CN/Nb2O5電極所制備的對(duì)稱電池有著清晰的氧化還原峰，而僅有純Nb2O5的對(duì)稱電池的氧化還原峰極不明顯，且電流密度更小，這是由于電極表面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，發(fā)生氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷較少，這可能是由于純Nb2O5的比表面積較少，缺乏足夠的活性位點(diǎn).以上CV測(cè)試充分說(shuō)明Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料具有較強(qiáng)的電催化能力，能夠加快長(zhǎng)鏈的可溶性多硫化物轉(zhuǎn)化為不溶的硫化鋰，進(jìn)一步提升氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué).

圖5 對(duì)稱電池的CV曲線Fig.5 CV curves of the symmetric cells

2.3 隔膜與穿透實(shí)驗(yàn)

將Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料通過(guò)真空抽濾的方式涂覆在商用聚丙烯隔膜的一側(cè).圖6(a)是修飾后隔膜正面和背面光學(xué)圖，能夠看到材料緊密地覆蓋在隔膜上，表面光滑.圖6(b)是將隔膜彎曲180 °后復(fù)原，并未觀察到出現(xiàn)裂紋，可以看出改性隔膜修飾層的柔韌性較好，復(fù)合材料與隔膜之間具有良好的黏合性.

圖6(c)是商業(yè)PP隔膜的表面SEM，可以看出其表面有許多的孔隙，孔徑在100～200 nm之間，能夠輕易地讓多硫化物穿過(guò)，而多硫化物在正負(fù)極之間來(lái)回往復(fù)，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)，并且還會(huì)腐蝕鋰陽(yáng)極，因此導(dǎo)致較差的電化學(xué)性能.如圖6(d)所示，將Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料使用真空抽濾涂覆到隔膜表面，可以將這些孔隙覆蓋住，在空間上有效地阻止多硫化物的穿梭，并且在一定程度還可以保護(hù)鋰負(fù)極，從而提高電池的電化學(xué)性能.圖6(e)是添加了復(fù)合材料之后的隔膜修飾層截面的SEM圖，可以看到成功地將材料涂覆到了隔膜表面，在其表面生成了一層厚度為10 μm的多孔納米片結(jié)構(gòu)的致密阻擋層，這一層修飾層能夠在循環(huán)過(guò)程中阻礙多硫化物的穿梭，改善電池的電化學(xué)性能.

圖6 (a)CN/Nb2O5修飾隔膜光學(xué)照片；(b)CN/Nb2O5修飾隔膜彎曲圖；(c～d)PP隔膜被CN/Nb2O5修飾前后的SEM圖；(e)CN/Nb2O5修飾隔膜截面SEM圖Fig.6 (a) Optical photograph of the CN/Nb2O5-modified separator; (b) Photo of the folded CN/Nb2O5-modified separator; (c-d) SEM images of the PP separator before and after modification; (e) Cross-sectional SEM of the CN/Nb2O5-modified separator

圖7是H型穿透實(shí)驗(yàn)，一側(cè)裝的是透明電解液，另一側(cè)是多硫化鋰溶液.上面一組是涂覆了復(fù)合材料的隔膜，下面一組是純的PP隔膜對(duì)比實(shí)驗(yàn).當(dāng)使用商用PP隔膜時(shí)，左側(cè)的可溶性多硫化物緩慢地向右側(cè)擴(kuò)散，而涂覆了復(fù)合材料的隔膜即使在12 h后，右側(cè)顏色基本保持不變，說(shuō)明CN/Nb2O5對(duì)多硫化物有較強(qiáng)的化學(xué)吸附能力，該復(fù)合材料修飾的隔膜能夠有效阻礙多硫化物的擴(kuò)散.

圖7 穿透實(shí)驗(yàn)Fig.7 Permeation experiment for the PP and CN/Nb2O5 separator

2.4 電化學(xué)性能測(cè)試

為了研究Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料修飾隔膜對(duì)鋰硫電池性能的改善，使用硫作正極、金屬鋰作為負(fù)極，將該復(fù)合材料涂覆到PP隔膜上作為改性隔膜，以此進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試.圖8是CN/Nb2O5修飾隔膜的電化學(xué)性能.其中圖8(a)是在0.5 A/g的電流密度下，使用CN/Nb2O5隔膜修飾層的鋰硫電池的初始放電容量高達(dá)1 046 mA·h/g，即使經(jīng)過(guò)200圈循環(huán)后，仍然有610 mA·h/g的剩余容量，庫(kù)倫效率達(dá)到98%，而純的聚丙烯隔膜組裝的電池相比之下，初始放電容量?jī)H有631 mA·h/g，性能差距較大，由此可以看出制備的復(fù)合材料確實(shí)能夠有效提高硫的利用率，改善鋰硫電池的電化學(xué)性能.圖8(b)是在不同電流密度下的倍率性能圖，使用CN/Nb2O5隔膜修飾層的鋰硫電池在0.5 A/g電流密度下首次放電容量為1 146.8 mA·h/g，高的首次放電容量表明材料對(duì)硫單質(zhì)具有較高的利用率.然后隨著電流密度的增加，在1 A/g、2 A/g和3 A/g的電流密度下分別表現(xiàn)出964 mA·h/g、837 mA·h/g和755 mA·h/g的平均放電容量.甚至在5 A/g的大電流下，仍然有415 mA·h/g的比容量.接著循環(huán)結(jié)束后又回到0.5 A/g的電流密度，平均放電容量為1 015 mA·h/g，并且充放電效率接近100%，證明該材料修飾的隔膜的鋰硫電池具有良好的倍率性能.而單純使用PP隔膜的鋰硫電池，不僅放電容量低，而且倍率性能較差，這也符合之前對(duì)商業(yè)隔膜的分析.以上電化學(xué)測(cè)試結(jié)果證明使用CN/Nb2O5修飾隔膜能夠有效地改善鋰硫電池的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)明顯的抑制多硫化物的穿梭，使其具有較好的放電比容量、穩(wěn)定性和可逆性.

圖8 CN/Nb2O5修飾隔膜、PP隔膜鋰硫電池的電化學(xué)性能測(cè)試：(a)0.5 A/g電流密度下的200圈循環(huán)性能；(b)倍率性能；(c～d)充放電曲線；(e)2 A/g的長(zhǎng)循環(huán)；(f)EIS圖譜Fig.8 (a) Cycling performance at 0.5 A/g; (b) Rate performance; (c～d) Discharge-charge curves of the batteries at various current densities; (e) Cycling performance at 2 A/g；(f) EIS spectra

圖8(c～d)是CN/Nb2O5和PP隔膜在不同電流密度下的電壓-容量曲線.從圖中能夠看出，二者都具有鋰硫電池典型的充放電平臺(tái)-雙電壓平臺(tái)，放電過(guò)程中，2.3 V和2.1 V的放電平臺(tái)分別對(duì)應(yīng)著硫向長(zhǎng)鏈多硫化鋰的轉(zhuǎn)化，長(zhǎng)鏈多硫化鋰向短鏈硫化鋰的轉(zhuǎn)化，充電過(guò)程中，2.3 V的電壓平臺(tái)對(duì)應(yīng)著硫化鋰的連續(xù)氧化.但是由復(fù)合材料修飾的鋰硫電池表現(xiàn)出了更小的極化和更高的容量，這主要是因?yàn)镃N/Nb2O5復(fù)合材料具有豐富的比表面積、對(duì)多硫化物有合適的吸附能力和較強(qiáng)的催化性能，使得修飾層具有高效的氧化還原速率.得益于此，如圖8(e)所示，CN/Nb2O5隔膜修飾層在2 A/g的電流密度下，經(jīng)過(guò)300圈循環(huán)后，容量仍然保持在510 mA·h /g.為了進(jìn)一步研究CN/Nb2O5修飾隔膜對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗分析.如圖8(f)所示，兩條曲線形狀類似，其中半圓部分代表著電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct).從圖中可以看出，CN/Nb2O5修飾隔膜有著更小的電荷轉(zhuǎn)移電阻(4.7 Ω)，這說(shuō)明將CN/Nb2O5復(fù)合材料用于隔膜修飾，能夠降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，加快電荷轉(zhuǎn)移，提升反應(yīng)動(dòng)力學(xué).

如圖9所示，測(cè)試的是材料的CV曲線，其中圖9(a)是在0.2 mV/s的掃速下，前四圈的CV曲線，可以看到四條曲線幾乎重合，說(shuō)明電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程很穩(wěn)定，具有高度可逆性和良好的循環(huán)穩(wěn)定性.圖9(b)和圖9(c)分別是CN/Nb2O5和純的Nb2O5修飾隔膜在不同掃速下的CV曲線.其中，CV曲線中特征峰的電流與掃速平方根之間是線性相關(guān)的，證明該氧化還原過(guò)程主要是擴(kuò)散控制的反應(yīng)過(guò)程.對(duì)CV測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)線性擬合得出結(jié)果如圖9(d)所示，可以看出對(duì)于CN/Nb2O5修飾隔膜在正向和負(fù)向掃描過(guò)程擬合結(jié)果斜率的絕對(duì)值要明顯高于純的Nb2O5修飾隔膜，表現(xiàn)出更大的Li+擴(kuò)散系數(shù)，說(shuō)明Li+的擴(kuò)散更加容易，有利于多硫化物的轉(zhuǎn)化，這是因?yàn)镃N/Nb2O5修飾隔膜與硫正極良好接觸，能夠充當(dāng)上集流體，有效改善電極界面的電子電導(dǎo)率.相比之下，純的Nb2O5修飾隔膜的極化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，當(dāng)掃速變大時(shí)，CV曲線發(fā)生明顯形變，說(shuō)明其氧化還原可逆性更差.

圖9 CN/Nb2O5修飾隔膜(a)0.2 mV/s的掃速下CV曲線；(b)不同掃速下的CV曲線；(c)純的Nb2O5修飾隔膜在不同掃速下的CV曲線；(d)CV曲線擬合結(jié)果Fig.9 (a) CV curves at 0.2 mV/s; (b) CV curves at different rates of CN/Nb2O5;(c) CV curves at different rates of Nb2O5; (d) Linear fitting results of CV curves

3 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)水熱和退火制備了Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料并將其用于鋰硫電池隔膜修飾.在該復(fù)合材料中，Nb2O5具有強(qiáng)化學(xué)吸附作用限制多硫化物的穿梭，其高效的催化能力還可以加快多硫化物的轉(zhuǎn)化.氮摻雜碳能夠增強(qiáng)其導(dǎo)電性，可以作為額外的電流收集器來(lái)增強(qiáng)多硫化物氧化還原反應(yīng).該鋰硫電池在0.5 A/g的電流密度下，初始放電容量有1 046 mA·h/g，即使經(jīng)過(guò)200圈循環(huán)后，仍然有610 mA·h/g的剩余容量，庫(kù)倫效率達(dá)到98%，并且有著良好的倍率性能.這些結(jié)果表明，Nb2O5復(fù)合氮摻雜碳材料具有作為高性能鋰硫電池隔膜修飾材料的潛力.