嵌入诱导型层状Nb₃VSe₆/碳纳米纤维膜调控多硫化物转化与锂沉积实现锂硫电池的高稳定性

doi:10.7503/cjcu20260220

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (9): 20260220.doi: 10.7503/cjcu20260220

嵌入诱导型层状Nb₃VSe₆/碳纳米纤维膜调控多硫化物转化与锂沉积实现锂硫电池的高稳定性

张莹莹(), 薛嘉仪, 王朝, 党宇鑫, 张鹏, 王高亮, 麻天舒, 贾琪, 吴桐, 刘景海()

内蒙古民族大学化学与材料学院, 内蒙古固体化学与电池重点实验室, 锂硫电池储能内蒙古自治区工程研究中心, 通辽 028000

收稿日期:2026-05-07 出版日期:2026-09-10 发布日期:2026-06-30
通讯作者: 张莹莹,刘景海 E-mail:zhangyingying@imun.edu.cn;jhliu2015@imun.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22361035, 22461030);内蒙古自然科学基金(2024QN02013);内蒙古草原英才-青年领军人才计划(KYCYYC24001, KYCYYC25002);内蒙古民族大学博士科研基金(KYQD21002、 KYQD23005);内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(GXKY25Z009);内蒙古自治区重点实验室创新平台建设项目(KJJH2402, SYS25003)

Embedded Inducible Layered Nb₃VSe₆/Carbon Nanofiber Membrane Regulating Sulfide Conversion and Lithium Deposition to Achieve High-stability of Lithium-Sulfur Batteries

ZHANG Yingying(), XUE Jiayi, WANG Chao, DANG Yuxin, ZHANG Peng, WANG Gaoliang, MA Tianshu, JIA Qi, WU Tong, LIU Jinghai()

College of Chemistry and Materials Science，Inner Mongolia Key Laboratory of Solid State Chemistry and Battery，Inner Mongolia Engineering Research Centre of Lithium?Sulfur Battery Energy Storage，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028000，China

Received:2026-05-07 Online:2026-09-10 Published:2026-06-30
Contact: ZHANG Yingying, LIU Jinghai E-mail:zhangyingying@imun.edu.cn;jhliu2015@imun.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22361035, 22461030);the Inner Mongolia Natural Science Foundation, China(2024QN02013);the Inner Mongolia Grassland Talents-Young Leading Talents Program, China(KYCYYC24001, KYCYYC25002);the Inner Mongolia Minzu University Doctoral Research Fund, China(KYQD21002、 KYQD23005);the Basic Research Operating Expenses Project for Universities Directly Under the Inner Mongolia Autonomous Region, China(GXKY25Z009);the Innovation Platform Construction Project of Key Laboratories in the Inner Mongolia Autonomous Region, China(KJJH2402, SYS25003)

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摘要/Abstract

摘要：

锂硫电池因其高达1675.0 mA·h/g的理论比容量和2600.0 W·h/kg的能量密度, 被认为是下一代最具应用前景的电化学储能器件之一. 然而, 锂硫电池中硫及硫化锂的氧化还原反应动力学缓慢、多硫化物穿梭效应以及锂枝晶生长等问题, 严重阻碍了锂硫电池的发展及应用. 本文制备了柔性Nb₃VSe₆/碳纳米纤维复合膜(NVSCNF), 并将其作为锂硫电池的电催化膜反应器(NVS@MR). 通过V原子插层策略, 对2H-NbSe₂进行改性, 构筑了一种嵌入诱导型层状催化剂. NVSCNF对多硫化锂具有强化学吸附能力和优异的电催化活性, 提升了氧化还原反应动力学, 且NVSCNF丰富的活性位点可有效调控锂沉积行为, 抑制枝晶生长. 所组装的锂硫电池在0.1 C倍率下的放电比容量为1305.0 mA·h/g, 在5.0 C高倍率下循环800次后容量仍保持在502.3 mA·h/g, 在0.5 mA/cm²电流密度下可稳定循环超过1000 h, 初始过电位仅为18.3 mV.

关键词: Nb?VSe₆膜反应器, V原子插层, 多硫化物转化, 锂沉积, 锂硫电池

Abstract:

Lithium sulfur batteries are considered as one of the most promising electrochemical energy storage devices for the next generation due to their theoretical specific capacity of 1675 mA·h/g and energy density of 2600 W·h/kg. However， the slow kinetics of the oxidation-reduction reaction of sulfur and lithium sulfide in lithium sulfur batteries， the shuttle effect of polysulfides， and the growth of lithium dendrites seriously hinder the development and application of lithium sulfur batteries. In this study， a flexible Nb₃VSe₆/carbon nanofiber composite membrane（NVSCNF） was prepared and used as an electrocatalytic membrane reactor（NVS@MR） for lithium-sulfur batteries. A layered catalyst with embedded induction was constructed by modifying 2H-NbSe₂ through V atom intercalation strategy. NVSCNF exhibits strong chemical adsorption capacity and excellent electrocatalytic activity toward lithium polysulfides， enhancing redox kinetics； furthermore， the abundant active sites on NVSCNF effectively regulate lithium deposition behavior and suppress dendrite growth. The assembled lithium-sulfur battery exhibited a discharge specific capacity of 1305.0 mA·h/g at a rate of 0.1 C. After 800 cycles at a rate of 5.0 C， the capacity remained at 502.3 mA·h/g. It could cycle stably for over 1000 h at a current density of 0.5 mA/cm²， with an initial overpotential of only 18.3 mV.

Key words: Nb?VSe₆membrane reactor, V-atom intercalation, Polysulfide conversion, Lithium deposition, Lithium-sulfur battery

中图分类号:

O611

TrendMD:

张莹莹, 薛嘉仪, 王朝, 党宇鑫, 张鹏, 王高亮, 麻天舒, 贾琪, 吴桐, 刘景海. 嵌入诱导型层状Nb₃VSe₆/碳纳米纤维膜调控多硫化物转化与锂沉积实现锂硫电池的高稳定性. 高等学校化学学报, 2026, 47(9): 20260220.

ZHANG Yingying, XUE Jiayi, WANG Chao, DANG Yuxin, ZHANG Peng, WANG Gaoliang, MA Tianshu, JIA Qi, WU Tong, LIU Jinghai. Embedded Inducible Layered Nb₃VSe₆/Carbon Nanofiber Membrane Regulating Sulfide Conversion and Lithium Deposition to Achieve High-stability of Lithium-Sulfur Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(9): 20260220.

图/表 6

Fig.1 Schematic illustration of the preparation of NVSCNF(A), XRD patterns of NVSCNF(B), schematic diagrams of the layered crystal structure of NbSe2(C) and Nb3VSe6(D), and XPS spectra of Nb3d (E), V2p (F), and Se3d (G) of NVSCNF

Fig.2 SEM(A, B), TEM(C) and HRTEM(D, E) images of NVSCNF

Fig.3 HAADF⁃STEM image(A) and elemental distribution maps of Nb(B), V(C), Se(D), N(E) and C(F) of NVSCNF

Fig.4 UV⁃Vis absorption spectra and visualization experiments of NVSCNF for physical adsorption of Li₂S₆(A), schematic diagram of the electrolyte contact angle on NVSCNF and SP/S(B), CV curves of the NVS@MR symmetric cell with or without Li2S6(C), Li₂S deposition curve(D), Li₂S dissolution curve(E) and EIS plot(F) of SP/S⁃NVS@MR and SP/S batteries

Fig.5 CV curves at a scan rate of 0.1 mV/s(A), Tafel slope curves corresponding to the reduction peak C1 and oxidation peak A(B), constant current charge⁃discharge curve at 0.1 C rate(C), rate performance(D), cycling curve at 1.0 C rate(E) and 5.0 C rate(F), CV curves with the scan rate of 0.2—1.0 mV/s(G), linear relationship between peak current of oxidation⁃reduction and the square root of scan rate(H) and cycling stability at a high sulfur load of 6.0 mg/cm2(I) of SP/S⁃NVS@MR battery

Fig.6 Rate performance(A) and cycling performance at 0.5 mA/cm2(B) of Li⁃NVS@MR||NVS@MR⁃Li and Li⁃Li batteries, and SEM images of the anode surface after 50 cycles of Li⁃NVS@MR||NVS@MR⁃Li(C) and Li⁃Li batteries(D)

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嵌入诱导型层状Nb₃VSe₆/碳纳米纤维膜调控多硫化物转化与锂沉积实现锂硫电池的高稳定性

Embedded Inducible Layered Nb₃VSe₆/Carbon Nanofiber Membrane Regulating Sulfide Conversion and Lithium Deposition to Achieve High-stability of Lithium-Sulfur Batteries

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