NML：合理设计高硫负载量MXene纳米片用于锂硫电池

【研究背景】

随着便携式电子设备、电动汽车和可再生能源的需求不断增加，人们需要成本更低、能量密度更高、使用寿命更长的储能设备。Li-S电池结合了地球上储量丰富的高容量硫正极和锂负极，被认为是最有希望的候选者，它具有高的理论特殊容量(1675 mAh g⁻¹)和高理论能量密度(2600 Wh kg⁻¹)。然而，阻碍锂硫电池应用的障碍是容量衰减快、倍率性能差和实际能量密度低。聚硫化物穿梭、硫/Li₂S的低传导性和低硫面积负载的高电解质/硫比(E/S)是造成这些挑战的根本原因。在过去的几十年中，人们一直在努力开发具有稳定性能和高能量密度的Li-S电池。其中，具有不同微观结构和表面性质的功能性硫基质材料有望在正极中捕获多硫化物。多硫化物的物理/化学吸附策略有望抑制有害的穿梭效应。这些方法缩短了Li-S电池研究与应用之间的差距。

【成果简介】

最近，中国三峡大学Xuelin Yang教授课题组和湖南大学Xiao Liang教授合作在国际知名学术期刊Nano-Micro Letters上发表一篇题目为：Comprehensive Design of the High-Sulfur-Loading Li–S Battery Based on MXene Nanosheets的研究论文，该研究基于MXene相（Ti₃C₂T_x纳米片）进行了全面的材料设计和电池结构构建，旨在实现高硫面负载的Li-S电池的稳定循环性能。将固有的带负电的MXene纳米片组装到带正电的科琴黑/硫（KB / S）颗粒上，以构建交织的KB/ S @ Ti₃C₂T_x复合材料。科琴黑芯提高了硫的电导率，同时Ti₃C₂T_x保证了可溶性多硫化物的物理/化学吸附并进一步提高了面内电导率。更重要的是，自组装二级颗粒结构有益于承载硫电极的体积膨胀/收缩的结构整体性。

【图文导读】

图1 a KB/S@Ti₃C₂T_x复合材料的制造示意图b 相应材料的Zeta电位 c相应材料水悬浮液的数码照片（d，e）KB/S和（f，g）KB/S@Ti₃C₂T_x的SEM图像

图2硫电极扫描电镜的比较

图3 KB/S@Ti₃C₂T_x的电化学性能

图4 a KB@Ti₃C₂T_x的SEM图像。KB@Ti₃C₂T_x涂层隔膜的b SEM图像c SEM截面图和d照片。e使用原始PP隔膜和KB @Ti₃C₂T_x涂层隔膜多硫化物的渗透率

图5 相应样品的电化学性能

【本文总结】

本文展示了一种材料和电池结构的综合设计，旨在实现高硫面负载的改进Li-S电池。材料基于对多硫化物具有亲和力的MXene相。通过静电自组装的方法对硫主体和涂覆在隔板上的中间层进行了材料工程。制备的KB/S@Ti₃C₂T_x具有一种交织结构，其中KB碳核改善了电导率，而MXene纳米片则保证了可溶解的硫化物的物理/化学吸附。更重要的是，该交织结构有益于结构整体性，从而有利于硫电极的体积膨胀/收缩。为了进一步阻止可能从正极逸出的多硫化物，将KB@Ti₃C₂T_x涂覆在隔板上以充当中间层（约3μm）。由于最小的厚度和重量比，该中间层不会牺牲体积/重量能量密度。但是，它会延迟并活化溶解多硫化物，从而提高了总硫的利用率。通过结合坚固的KB/S@Ti₃C₂T_x负极和有效的KB@Ti₃C₂T_x改性隔膜，我们获得了一种稳定的Li-S电池，在相对贫乏的电解液中具有高硫面负载。

文献链接：

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00449-7

信息来源： MXene Frontier