鋰硫電池?fù)碛谐叩睦碚撊萘亢拓S富的儲量，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芰畠r電池體系之一。其面對的問題重要在于多硫化物的溶解和表面不可控的析出，以及相對較低的單位面積載量。最近報道的載硫材料，大多在多孔碳的基礎(chǔ)上，集中于過渡金屬氧化物、硫化物、氮化物(MX,M=Ti,Co,V,Nb;X=O,S,C,N)，這些化合物因為對多硫化物有較強(qiáng)的化學(xué)用途，可以延長電池壽命。但是他們面對著兩個問題：一是化學(xué)用途多基于M-SorX-Li鍵的路易斯酸堿用途，而其中X-Li鍵可能會阻礙電子直接向多硫陰離子的轉(zhuǎn)移，并減緩Li+的擴(kuò)散;二是此類化合物相對過重，使得提高硫活性物質(zhì)的載量受限，影響電池的電流密度。

鑒于此，Waterloo大學(xué)的LindaF.Nazar教授等人提出了利用輕量級的硼化鎂納米材料作為載硫?qū)w。MgB2是常用的超導(dǎo)材料，常溫下為金屬性導(dǎo)體，擁有接近于碳材料的理論密度(2.57g/cm^3)，是理想的兼具導(dǎo)電性和表面極性的超輕質(zhì)材料。龐全全等人利用蒸汽-固態(tài)反應(yīng)方法，以硼納米顆粒為前驅(qū)體、碳顆粒為添加劑，合成了納米級MgB2。通過DFT計算，研究人員發(fā)現(xiàn)MgB2顯示出與金屬氧化物不同的多硫化物吸附用途機(jī)制：表面的Mg和B原子均直接與多硫陰離子(Sx2-)發(fā)生鍵合用途，而非Li+，這源于B離子的路易斯酸性的特點(而O,S,N等陰離子為路易斯堿性)。作者提出設(shè)想，這種化學(xué)用途機(jī)制再加上MgB2本身導(dǎo)電的特性，會使得界面電荷可以直接轉(zhuǎn)移至真正參與氧化/還原反應(yīng)的多硫離子，而不受Li+的干擾。通過實驗驗證，在MgB2界面，多硫化物轉(zhuǎn)化交換電流為MgO和多孔碳界面的兩倍左右，證明了其對多硫化物的調(diào)節(jié)用途(mediation)，循環(huán)之后的電極SEM表征顯示Li2S的沉積更為均勻。值得一提的是作者通過將MgB2顆粒原位合成于graphene層與層之間，進(jìn)一步新增了MgB2材料的有效利用面積，并構(gòu)建了9.3mg/cm^2載量的電極，實現(xiàn)了在6.5μL/mg的電解液用量下的100周穩(wěn)定循環(huán)。

圖1.振實密度：相同質(zhì)量而體積差別很大的不同(A)載硫材料和(B)硫復(fù)合材料。

相關(guān)于Graphene或者多孔碳，MgB2具有很高的振實密度，因為這種基于表面吸附用途的材料做出的硫電極也會更加密實，體積能量密度高。

圖2.納米MgB2的合成路徑及XRD、SAED、SEM表征。

納米級別的MgB2的合成比較困難，僅有納米纖維狀結(jié)果報道過，因為其合成條件對O2和H2O要求苛刻。作者利用商業(yè)化的硼納米顆粒，在密封鉭管(Tantalum)中依靠Mg蒸汽和硼顆粒反應(yīng)而成。進(jìn)一步通過在前驅(qū)體混入碳顆粒添加劑，阻礙顆粒的過度燒結(jié)，形成~100nm左右大小的MgB2。

圖3.第一性原理計算得到的界面吸附原子構(gòu)型和吸附能：MgB2和MgO與Li-polysulfides的化學(xué)用途。(A-C)B原子、Mg原子暴露的MgB2表面和MgO(110)表面與Li2S2。(D)不同界面與不同多硫化物結(jié)合能的總結(jié)。(E,F)MgB2兩種界面與Li2S的化學(xué)用途。

DFT計算證明：1)MgB2，MgO對多硫化物的吸附用途遠(yuǎn)高于碳;2)MgB2的兩種裸露面(B-terminated,Mg-terminated)都直接與多硫陰離子用途，而非Li+，這源于硼原子的路易酸性的特性，不同于MgO的表面。.

圖4.MgB2,MgO和多孔碳(VulcanCarbon)電極的鋰硫電池電化學(xué)測試。(A,B)放電和充電曲線,(C)Tafel圖測量交換電流,(D)充放電循環(huán)曲線。

MgB2制作的硫電極相關(guān)于MgO或者多孔碳顯示出更小的電壓極化(overpotential)。在多硫化物電解液(catholyte)中測得的Tafel曲線顯示，MgB2基底表現(xiàn)出兩倍于MgO或者多孔碳的交換電流，MgB2電極也顯示出更穩(wěn)定的循環(huán)性能。

圖5.Graphene-MgB2復(fù)合材料的SEM圖和高載量電極的循環(huán)曲線。

通過將MgB2顆粒夾雜在石墨烯片中，可利用的表面積大幅提高。得益于石墨烯的nanosheet結(jié)構(gòu)，我們也構(gòu)建了9.3mg/cm^2的厚電極，電解液用量6.5μL/mg，穩(wěn)定循環(huán)100周。

圖6.200周循環(huán)后的放電狀態(tài)下的正極和負(fù)極SEM表征。(A,B)Graphene和Graphene-MgB2的硫正極表面;(C,D)相對應(yīng)的鋰金屬負(fù)極截面。

循環(huán)后的正極可以顯示出，純碳電極中容易形成孤島狀的Li2S大顆粒，而含MgB2的電極則Li2S均勻沉積。而含MgB2電池的鋰金屬負(fù)極表面粉化層也更薄，表明多硫化物腐蝕大大減少。