多聚硫化物宿主VO2-V2C用于高性能锂硫电池

【研究背景】
    近年来，随着便携式电子设备的多样化和电动汽车的普及，传统商用锂离子电池能量密度低、循环性能差的缺点日益突出。追求高能量密度和长寿命的电池系统已逐渐成为电池能量研究领域的一个热点。特别是锂离子电池，由于其超高的理论比容量、能量密度和环境友好性，在不久的将来被认为是锂离子电池的最佳替代品。

【成果简介】
   最近，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室郁可教授课题组在国际知名期刊ACS. Appl. Mater. Interface 上发表一篇题目为：VO2(p)‑V2C(MXene) Grid Structure as a Lithium Polysulfide Catalytic Host for High-Performance Li−S Battery的研究论文，该研究在V2C上生长VO2纳米棒合成了能将多硫化物转化为不溶解Li2S和Li2S2有效抑制穿梭效。
  目前人们广泛地致力于提高锂硫电池的循环稳定性和可逆性。但在抑制梭形效应、提高硫阴极的导电性和结构稳定性等方面仍存在一些未解决的挑战和困难。在此，本文报道了一种生长在二维V2C (MXene)纳米薄片表面的三维(3D)网格异质结构VO2(p)纳米棒簇作为硫阴极的高性能催化宿主。第一性原理计算结果表明，VO2(p)纳米棒可以与V2C协同作用，增强宿主对多硫化物锂的吸附能力，降低多硫化物向短链硫化物转化过程中的氧化还原反应壁垒。此外，基体材料的高比表面积和结构稳定性可以增加电极的氧化还原反应动力学和循环可逆性。VO2(p)-V2C/S阴极具有优异的电化学性能和良好的可逆放电容量(在0.2C时为1250 mAh·g−1)，长期循环稳定性(2C时在500循环后为69.1%)，高硫负荷循环容量。为高含硫高性能阴极结构的设计提供了有价值的参考。

【图文导读】

图一. VO₂(p)‑V₂C合成流程图。

图二. VO₂(p)‑V₂C合成过程SEM表征。a) V₂AlC b) 多层V₂C c) TMAOH处理后的V₂C d)超声剥离的V₂C片层 不同时间的水热反应e-f) 3 h ,(g) 8 h, (h, i) 24h

图三. TEM高分辨及元素分布

图四.物理表征

图五.相关锂硫电池电化学性能测试

图六.材料对多聚硫化物转化催化测试

【本文总结】
   本文利用水热反应合成了均匀生长在二维V2C纳米薄片上的VO2(p)纳米棒复合基体，形成了三维自支撑网格。对于宿主材料，二氧化钒纳米棒有效地提高了电极材料的电导率，加速了电化学反应速率；此外，它们还催化了LiPSs向短链多硫化物Li2S和Li2S2的转化过程。在很大程度上抑制了梭形效应对循环稳定性和电池结构的不利影响。由此制备的VO2(p)-V2C/S阴极具有超高的电化学性能，具有高的可逆放电容量、长期循环稳定性和高的载硫循环容量。研究表明，上述设计的纳米级二维网格结构阴极可以显著提高硫的负荷量和利用率，从而通过与LiPSs的强化学作用来改善锂硫电池的性能。我们认为该复合基体材料可以为高性能锂硫电池的实际应用和开发提供参考。
 
文献链接：
DOI:10.1021/acsami.9b15586
消息来源：微信公众号 MXene Frontier