如何提高钠硫电池的性能？功能化Hf3C2和Zr3C2 MXenes或许是答案！

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01  ╱ 文章概览 ╱

钠硫电池由于能够进行双电子氧化还原过程以及丰富的钠和硫资源，在存储大量能量方面表现出巨大的潜力。然而，中间体多硫化钠（Na2Sn）引起的穿梭效应限制了它们的性能和寿命。为了解决这个问题，我们在这里建议使用 Hf3C2T2 和 Zr3C2T2 (T = F, O) 这两种功能化 MXene 作为阴极添加剂来抑制穿梭效应。通过使用密度泛函理论计算，我们研究了 Na2Sn 和 MXene 之间相互作用的性质，例如吸附能的强度、电子态密度、电荷交换和 Na2S 分子的解离能。

研究结果表明，Hf3C2T2 和 Zr3C2T2 系统都通过与 Na2Sn 结合来抑制穿梭效应，其结合能比常用的电解质溶剂更强。这些 MXene 在此过程中保留了其金属性，并且氧功能化 MXene 上 Na2Sn 的分解势垒降低，从而增强了电化学过程。在所研究的 MXene 体系中，Zr3C2O2 在抑制穿梭效应和催化电化学过程方面表现出最佳性能，从而提高了电池的可逆容量和寿命。

02  ╱ 本文亮点 ╱

• DFT研究抑制了nasb中穿梭效应，提出了新的阴极添加剂。

• 选用4种MXenes (Hf3C2Tx, Zr3C2Tx, T = F/O)作为阴极添加剂。

• MXenes对Na2Sn的粘附力比电解液强，从而防止了穿梭效应。

• 它们具有中等势垒，便于充电期间 Na2S 解离。

• Zr3C2O2 MXene 被发现对于 NaSB 的性能和寿命而言是最佳的。

03  ╱ 图文参考 ╱

图1. (a) 使用尺寸为 3 × 3 原始晶胞的计算超晶胞，研究了 4 个功能化 MXene Hf3C2T2 和 Zr3C2T2 (T = F,O) 的晶体结构的侧视图和俯视图。(b) 对应于(a)部分的MXene单层的自旋极化PDOS和TDOS。

图2. (a) 吸附在 4 个 MXene Hf3C2T2 和 Zr3C2T2 (T = F,O) 表面的多硫化钠 (Na2Sn) 的结合能。(b) vdW相互作用对(a)部分吸附能的贡献比。

图3. 吸附在四种功能化 MXene 上的松弛 6 种多硫化钠 (Na2Sn) 的侧视图和俯视图：(a) Hf3C2F2、(b) Hf3C2O2、(c) Zr3C2F2 和 (d) Zr3C2O2。

图4. 吸附 6 种多硫化钠后 F/O 钝化 MXene 的自旋极化 PDOS 和 TDOS：(a) Hf3C2F2、(b) Hf3C2O2、(c) Zr3C2F2 和 (b) Zr3C2O2。费米能级被视为能量参考（EF = 0）。

图5. 吸附在 F/O 钝化 MXene 上的多硫化钠 (Na2Sn) 的电荷密度差 (CDD)：(a) Hf3C2F2、(b) Hf3C2O2、(c) Zr3C2F2 和 (b) Zr3C2O2。等值面设置为 0.003 e Å−3。显示了两个 3D 图及其在 z 轴上的投影。

图6. 描述解离分子（Na2S）的攀爬图像推动弹性带（CI-NEB）方法

  NaS + Na+ + e−) 以及 Na + 离子在 O 钝化的 Hf3C2 和 Zr3C2 MXene 表面上沿 2 个不同路径的扩散。能量参考是在解离过程开始时。蓝色曲线显示游离（Na2S）分子的解离。

04  ╱ 总结 ╱

应用自旋极化DFT计算探索了一条通过减少穿梭效应来提高钠硫电池性能和寿命的新途径。 这项研究表明，MXene（特别是 T = F/O 的 Hf3C2T2 和 Zr3C2T2）是添加剂阴极的有希望的候选者，可以有效抑制穿梭效应并催化电化学过程。 

结果表明，多硫化钠 (Na2Sn) 在所有研究的 MXene 上的结合能都强于与 DOL 和 DME 等电解质的结合能。 研究还发现，氧钝化对多硫化物具有更大的化学结合作用，可抑制穿梭效应（在放电阶段）并降低离子动力学的活化能（在充电阶段）。这些发现支持在室温钠硫电池中使用 MXene 作为添加剂阴极，以提高其性能并延长其使用寿命。

* 图文资料来源于 https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233298