电化学| V4C3TX Li-S电池中多硫化物锚定和催化转化第一性原理

MXene是比石墨烯还火的二维明星材料，身为先进的MXene制造商，北科纳米推出特惠活动，mxene等材料九折起，同时北科纳米推出新介孔材料、硅气凝胶产品，更多优惠价格，等你来秒杀！

研究速览

■ 近日，广东工业大学蔡俊杰，孙志鹏和中山大学卢侠（共同通讯作者），在国际知名期刊Journal of Colloid and Interface Science上发表题为“V4C3TX MXene:First-principles computational and separator modification study on immobilization and catalytic conversion of polysulfide in Li-S batteries”的研究论文。该论文首次将V4C3TX应用于锂硫电池隔膜改性中。作者首先从理论计算出发，通过将V4C3TX与其他过渡族元素MXene进行对比，从中体现V4C3TX对多硫化物强大的吸附性能，并且通过吉布斯自由能发现，V4C3TX在多硫化物催化转化上也具备优异效果。紧接着作者通过实验和锂硫电池电化学性能进一步证实V4C3TX-PP作为锂硫电池改性隔膜可以在物理阻隔多硫化物的同时吸附以及催化转化多硫化物，从而大幅度提升锂硫电池的倍率性能和长循环稳定性。

▉ 研究摘要 ▉

■ 在锂硫电池隔膜改性材料的应用中，使用的最多的二维过渡金属碳化物就是Ti3C2Tx。它们凭借高电子导电性，高的催化活性表面以及对多硫化物的有效锚定广泛应用于解决锂硫电池的穿梭效应问题。然而，其他的二维过渡金属碳化物则少有出现在人们的视野当中，应用于锂硫电池隔膜改性的更是少之又少。

■ 鉴于此，广东工业大学孙志鹏教授课题组报道了一种V4C3TX MXene应用于锂硫电池隔膜修饰。在这项工作中，通过第一性原理预测，与MXene家族的大多数其他金属碳化物相比，V4C3TX可以促进多硫化锂(LiPSs)的“吸附-扩散-转化”过程。受此启发，作者通过简单的氢氟酸刻蚀法制备出多层的V4C3TX并调制浆料涂覆于商用PP隔膜一侧，作为隔膜修饰层应用于锂硫电池。正如预期的那样，V4C3TX改性PP隔膜(V4C3TX-PP)可以通过物理阻挡、化学吸附和催化转化有效地防止LiPSs的穿梭效应，这通过可视化多硫化物吸附和扩散测试、XPS分析以及一系列电化学评价得到证实。因此，含V4C3TX-PP的LSB实现了高的初始放电容量和稳定的循环性能(1C时为927 mAh g-1，800次循环后为516 mAh g-1，1C=1675 mA g-1)。令人惊喜的是，该电池在2C和4C时分别达到725 mAh g-1和586 mAh g-1的优异倍率性能。此外，基于V4C3TX-PP的LSB表现出4.3 mAh cm-2的高面积容量，即使硫负载量高达4 mg cm-2。这项工作从理论和实验的角度拓展了MXene的应用类型和范围。V4C3TX MXene改性隔膜在锂硫电池中的首次应用赋予了其巨大的实际应用潜力。

▉ 研究要点1 ▉

■ 作者首先从第一性原理比较了V4C3TX MXene与其他过渡族元素MXene对于多硫化物的吸附性能。其中，V4C3TX在与多硫化物吸附能上要明显优于目前最广泛使用的Ti3C2TX，这一点在多硫化物的吸附实验也被验证。其次，吉布斯自由能说明了V4C3TX可以有效地催化转化多硫化物，尤其是在Li2S的沉积上。能垒图进一步表示锂离子在V4C3TX能够快速迁移，这也说明了将V4C3TX应用于锂硫电池隔膜中可以加快锂离子的迁移从而提高离子传导效率。

图1. V4C3TX MXene第一性原理计算分析

▉ 研究要点2 ▉

■ 作者通过简单的氢氟酸法成功刻蚀出了多层的V4C3TX（如图2-1）。其次，将刻蚀好的样品调制浆料涂覆于商用PP隔膜。通过对V4C3Tx-PP改性隔膜的表征，如图2-2所示，我们可以发现，首先片层形貌的MXene可以有效地填补商用PP隔膜原有的大孔，从而物理阻隔多硫化物的通过，其次，对改性隔膜进行机械性能测试发现，经过多次折叠与展开，改性层未脱落体现了改性层优异的机械性能。接触角测试也说明了改性层的加入改善了隔膜表面的浸润性。最后通过H型电解池进一步验证了V4C3TX-PP能够有效地阻隔多硫化物。

图2-1. V4C3TX MXene物相表征

图2-2. V4C3Tx-PP修饰层表征

▉ 研究要点3 ▉

■ 作者将V4C3TX-PP改性隔膜装载到锂硫电池中进行电化学性能测试。首先从循环伏安曲线可以看出V4C3TX-PP改性隔膜改善了锂硫电池的导电性，极化现象明显减少。这一点也充分体现在倍率性能和大电流下稳定的循环性能。此外，作者还将V4C3TX-PP改性隔膜加入到高载量锂硫电池当中，如图3-2所示，在高硫负载的情况下，改性隔膜依旧体现了良好的循环稳定性。通过文献调研对比，可以清晰地看出V4C3TX-PP改性隔膜在锂硫电池隔膜研究中的强大优势与发展潜力。

图3-1. 搭载V4C3TX-PP修饰层的锂硫电池电化学性能

图3-2高载量电池测试

▉ 研究总结 ▉

■作者首先通过第一性原理出发，比较了V4C3TX与其他MXene在锂硫电池中与多硫化物的吸附效果。其次通过实验进一步验证理论计算，从可视化多硫化物吸附试验，扩散测试、XPS分析以及一系列电化学表征证实了V4C3TX-PP从“吸附-扩散-转化”机制去吸附多硫化物，加速锂离子扩散以及催化转化多硫化物从而进一步提高锂硫电池电化学性能。总的来说，这项工作涉及V4C3Tx MXene的第一性原理计算、表征和实验设计，将是探索高性能Li-S电池的其他MXene成员的积极尝试。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979722012589#bi005

本信息源自互联网仅供学术交流 ，如有侵权请联系我们立即删除。