VN修饰多壁碳纳米管复合结构设计助力高性能锂硫电池

为解决锂硫电池（LSBs）中多硫化锂（LiPSs）穿梭效应和硫本征低电导率导致的容量衰减问题，研究人员通过水热-碳化法合成VN修饰多壁碳纳米管（VNC-MWCNTs）复合材料。该材料通过三维导电网络和VN催化活性协同抑制LiPSs穿梭，实现500次循环后62.2%的容量保持率，平均每循环仅衰减0.07%，为高稳定性LSBs设计提供新策略。

　　

锂硫电池（Lithium-Sulfur Batteries, LSBs）因其1675 mAh g^?1的超高理论比容量和硫的环境友好性，被视为下一代储能技术的候选者。然而，多硫化锂（LiPSs）的溶解穿梭和硫在充放电过程中80%的体积膨胀，导致电池容量快速衰减。更棘手的是，硫及其放电产物的绝缘性使得电子传输受阻，进一步加剧了性能退化。尽管多孔碳材料能物理吸附LiPSs，但其非极性表面难以实现化学锚定，且催化活性不足。如何构建兼具导电性、化学吸附和催化转化的多功能宿主材料，成为突破LSBs瓶颈的关键。

广西科技大学的研究团队提出了一种巧妙的解决方案：以多壁碳纳米管（MWCNTs）为导电骨架，通过水热-碳化法在其表面包覆氮化钒（VN）修饰的碳层，形成VNC-MWCNTs复合材料。这一设计充分利用了VN的高导电性（是金属氧化物的100倍）和对LiPSs的强化学吸附能力（通过V-S键），同时MWCNTs的三维网络确保了电子快速传输。实验表明，该材料使LSBs在1 C倍率下实现731 mAh g^?1的放电容量，500次循环后容量保持率达62.2%，远超未修饰碳材料（300次循环后仅剩368.9 mAh g^?1）。相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

研究团队采用水热法将葡萄糖和钒源（NH₄VO₃）均匀包覆于MWCNTs表面，经高温碳化后形成VN嵌入的蠕虫状纳米纤维。通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）证实了VN纳米晶体的存在，比表面积测试显示材料具有分级孔隙结构。电化学测试采用CR2032纽扣电池体系，以硫负载量为1.5 mg cm^?2的电极作为正极，金属锂片为负极。

Structural and morphological characteristics
TEM显示VN纳米颗粒（粒径5-10 nm）均匀分散于碳层中，形成"珊瑚状"导电网络。X射线光电子能谱（XPS）证实VN中不饱和V位点可与LiPSs形成V-S键，结合能计算表明吸附能达-3.21 eV，远高于纯碳材料的物理吸附（-0.48 eV）。

Electrochemical performance
循环伏安（CV）曲线显示VNC-MWCNTs电极的氧化还原峰电流比纯碳电极高2.3倍，表明VN显著加速LiPSs转化动力学。电化学阻抗谱（EIS）测得电荷转移电阻仅18.6 Ω，比对照组降低76%。在2 C高倍率下仍保持582 mAh g^?1容量，证明材料优异的倍率性能。

Conclusion
该研究通过结构设计将VN的催化活性与MWCNTs的导电性有机结合，创建的VNC-MWCNTs复合材料同时解决了LSBs中LiPSs穿梭、硫膨胀和反应动力学迟缓三大难题。特别值得注意的是，材料在高温（55°C）下仍保持稳定循环性能，这对电动汽车等高温应用场景具有重要意义。研究者建议未来可优化VN负载量以平衡吸附位点与导电性的关系，并探索其他过渡金属氮化物在LSBs中的应用潜力。