與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，鋰硫（Li-S）電池具有無(wú)可比擬的理論容量和能量密度，但由于“穿梭效應(yīng)”和低鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的緩慢轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)阻礙了它們的發(fā)展，導(dǎo)致快速容量衰減。在此，通過(guò)在 MXene 納米片（表示為 OMC- g -MXene）上均勻接枝介孔碳制備催化二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，作為 Li-S 電池中的界面動(dòng)力學(xué)加速器。在這種設(shè)計(jì)中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中接枝的介孔碳不僅可以防止 MXene 納米片的堆疊，具有增強(qiáng)的機(jī)械性能，還可以提供促進(jìn)離子擴(kuò)散的促進(jìn)泵。同時(shí)，暴露的富含缺陷的 OMC- g-MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò) OMC- g -MXene 和多硫化物之間的化學(xué)相互作用抑制多硫化物穿梭，從而同時(shí)提高電化學(xué)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)和效率，正如通過(guò)原位/非原位表征所充分研究的那樣。因此，采用OMC-g-MXene離子泵的Li–S電池實(shí)現(xiàn)了高循環(huán)容量（0.2C下經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后為966 mAh g–1）、優(yōu)異的倍率性能（5C下為537 mAh g
–1）和在1C下800次循環(huán)中每循環(huán)0.047%的超低衰減率。此外，即使在貧電解液條件下使用7.08 mg cm
–2的高硫負(fù)載正極，也獲得了4.5 mAh cm
–2的超高面容量，展示了其在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用。
Fig 1. (A) OMC- g -MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成示意圖。(B, C) TEM 圖像和 (D) OMC- g -MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高分辨率 TEM 圖像。(E) 孔徑分布。(F) Ti 2p 的高分辨率 XPS 和 (G) MXene 和 OMC- g -MXene 的 EPR 光譜。
Fig 2. (A)基于 OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 電極的 Li2S6對(duì)稱電池在 5 mV s
-1時(shí)的 CV 曲線。(B)用于評(píng)估 Li2S 成核動(dòng)力學(xué)的帶有 Li2S8 陰極電解液的三個(gè)修飾電極在 2.05 V 下的恒電位放電曲線。(C) 具有催化層的 Li-S 電池的 CV 曲線。(D) ip的斜率總結(jié)與不同峰中掃描速率的平方根。(E) 在 0.1 C 下具有三個(gè)夾層的 Li-S 電池的 GITT 和 (F) 從 GITT 技術(shù)計(jì)算的相應(yīng)過(guò)電勢(shì)。
Fig 3. (A) 基于各種夾層的鋰硫電池在 0.2 C 時(shí)的電壓曲線比較。(B) 在 0.2 C 時(shí) ΔE和Q2/Q1比率的相應(yīng)總結(jié)。 (C) 循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試基于各種夾層的 Li-S 電池在 0.2 C 下的性能。（D）OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)改性電池的倍率性能。(E) 不同電流速率下容量保留的比較。(F) OMC- g - MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾電池的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。(G) 高負(fù)載電池在 OMC- g - MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)上作為貧電解質(zhì)夾層的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。
Fig 4. (A) 不同溶液在 Li2S6溶液中充分浸泡 6 小時(shí)后的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。插圖：Li2S6吸附實(shí)驗(yàn)的光學(xué)照片。(B–D) Li2S6吸附前后OMC- g -MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Li 1s、S 2p和Ti 2p的高分辨率X射線光電子能譜對(duì)比。
Fig 5. 放電過(guò)程中不帶/帶 OMC- g -MXene 催化夾層的電池的原位拉曼測(cè)量。(A, C) PP 和 OMC- g -MXene/PP 分離器的原位時(shí)間分辨拉曼圖像。(B, D) 分別選擇了 PP 和 OMC- g -MXene 裝飾的 PP 隔膜的拉曼光譜。(E) OMC- g -MXene 夾層作為鋰離子泵加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)制示意圖。
相關(guān)研究工作由華東理工大學(xué)Liang Zhan課題組于2023年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，原文：Ordered Mesoporous Carbon Grafted MXene Catalytic Heterostructure as Li-Ion Kinetic Pump toward High-Efficient Sulfur/Sulfide Conversions for Li–S Battery。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
