ACS Nano：原位Mox-MXene异质结用于3D打印锂硫电池

为了满足电网规模储能，电动汽车与可穿戴电子设备的日益增长的需求，研究者们致力于探索可以实现高质量与体积容量的储能器件。得益于较高的理论能量密度（2600 Wh kg^-1；2800 Wh L^-1），成本效益以及环境友好性，锂硫电池（LSBs）被认为是一类在众多储能系统中有潜力的替代选择。然而，商业化的锂硫电池仍然受限于较低的硫使用率，较差的循环性能以及不足的倍率性能等，这主要是由于硫的绝缘本质，可溶性聚硫锂的穿梭效应以及迟缓的硫化学反应的动力学特性。探索高效的硫宿主材料对于实现同时具有优异质量与体积容量的锂硫电池至关重要。

合适的硫宿主材料通过具有这样几个特征：i）良好的导电性以保证电子的快速转移；ii）优化设计的基质以确保离子的传输和硫负载；iii）充足的活性位点可用于聚硫锂的吸附与Li₂S的成核；iv）高振实密度有助于提高体积容量。

MXene，作为一类兴起的2D过渡金属碳化物/碳氮化物，具有一些独特的性质，如杰出的电子导电性，亲水性以及多孔性。在使用HF刻蚀的过程中，通常在表面会形成一些金属氧化物。截至目前，已经有一些研究关于如何控制和利用这些金属氧化物在能量相关领域的应用，因为这些原位生成的氧化物会对性能的提升是有益的。

最近，苏州大学Ruizhi Yang教授与孙靖宇教授在国际知名学术期刊 ACS Nano上发表题目为： Universal in Situ Crafted MO_x‑MXene Heterostructures as Heavy and Multifunctional Hosts for 3D-Printed Li-S Batteries的研究论文，报道了一种利用3D打印技术在MXene表面原位生长氧化物形成异质结的方法，作为多功能的宿主，可以通过同步多硫化物的固定与转化进而得到良好的电池性能。

图1.MO_x-MXeneMO_x-MXene（M：Ti，V和Nb）的合成过程。

图2. MO_x-MXene（M：Ti，V和Nb）异质结的形貌与成分表征。

图3. 硫氧化还原动力学分析。

图4. 理论模拟与吸附测试。

图5. MO_x-MXene/S正极在锂硫电池应用中的电化学性能测试。

图6. 3D打印的VO_x-V₂C/S电极在锂硫电池应用中的电化学性能测试与涂片电极的对比。

本文提出了一种高效通用的方法原位制备MO_x-MXene（M：Ti，V和Nb）异质结构作为一种高振实密度的硫宿主材料用于锂硫电池。衍生的MO_x-MXene被证明对聚硫锂具有良好的固定与催化能力；结合其较高的振实密度，VO_x-V₂C/S正极用于锂硫电池可以产生1135.16 mAh g^-1的质量比容量和1645.98 mAh g^-1的体积比容量。更重要的是，3D打印技术可以制备出具有高面电容与高硫负载量的电极材料，质量负载为10.78 mg cm^-2的3DPE电极在0.05 C下可以实现9.74 mAh g^-1的面电容。通过3D打印而制备的电极结构有利于促进硫氧化还原反应的动力学以及离子的扩散，与此同时还可以缓解在充放电过程中发生的体积膨胀。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07999A

信息来源: MXene Frontier

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