高能量密度鋰硫電池(LSBs)的長壽命仍然受到嚴重的多硫化物(PS)穿梭和緩慢的硫還原/析出動力學過程的阻礙。本文報道了一種簡便的硫脲誘導皺褶氮硫共摻功能化 MXene (NSMX)的制備方法，用于改進分離器以提高高能 LSBs 的離子擴散和轉(zhuǎn)化動力學。理論計算和實驗結(jié)果表明，N，S 雜原子的引入使過渡金屬 Ti 的 d 帶中心向費米能級移動，導致 N/S 原子與 PS 中 Li 原子之間的強鍵合效應，從而表現(xiàn)出對 PS 的吸附能力和快速催化 PS 可逆轉(zhuǎn)化率，快速消耗可溶性高階 PS，加速 Li2S6在高電位下的消耗。具有優(yōu)良導電性的二維褶皺極表面保證了快速的電子轉(zhuǎn)移和離子遷移。由于硫利用率的提高和不利累積 Li2S6的減少，裝有 NSMX 改性分離器的 LSBs 在0.2 °C 下具有1249mAh g-1的高比容量。在5C 的高速率下，LSBs 還提供了令人印象深刻的600mAh g-1的可逆容量。此外，即使在高硫負荷和貧電解質(zhì)消耗的條件下，也可以實現(xiàn)高容量和穩(wěn)定的循環(huán)。
圖1. (a) NSMX合成示意圖;(b-d) NSMX掃描電鏡圖像和EDS圖譜;(e, f) NSMX的HRTEM圖像;(g) NSMX和MX的XRD衍射圖;(h) NSMX和MX的FT-IR信號;Li2S6反應前后NSMX的Ti 2p (i)和n1s (j) HRXPS譜(k) Li2S6反應后NSMX的Li 1s HRXPS譜。
圖2. (a) NSMX、MX和rGO改性分離器在30-60℃時的離子電導率;(b)由離子電導率計算的NSMX、MX和rGO改性分離器的活化能;(c)不同樣品的li2s6對稱電池在50 mV−1下的CV曲線;(d-f) NSMX、MX和rGO表面Li2S析出的恒電位i-t曲線;(g-i) Li2S在NSMX、MX和rGO表面分解的恒電位i-t曲線。
圖3. (a)吸附PS后rGO和NSMX的優(yōu)化構型;(b)不同樣品對PS的吸附能;(c) MX和NSMX的PDOS圖;(d) Li2S6轉(zhuǎn)化為Li2S2的相對吉布斯自由能;(e, f) NSMX和MX的Li2S解離能譜。
圖4. (a)不同隔板電池的CV曲線;(b) CV曲線A-C峰不同細胞的Tafel斜率;(c, d)三種電池在充放電過程中的相對活化能;(e)不同隔板電池的Li+擴散能力;(f)細胞在0.2℃時的循環(huán)性能;(g)不同分離器的細胞速率性能;(h)費率執(zhí)行情況與以前關于mxene工作的報告的比較;(i)細胞在1℃下的循環(huán)性能;(j)不同細胞的穿梭電流;(k)電池充電至2.8 V后的開路電壓-時間曲線。
圖5. 使用PP (a)和NSMX (b)的lsb在0.5℃時的原位拉曼光譜(c) lsb與NSMX改性分離器的PS相互作用示意圖;(d) NSMX在高S載荷和低E/S比下的循環(huán)性能。
相關科研成果由青島大學Jianjun Song等人-硫脲誘導皺褶 N，S 共摻雜功能性 MXene 實現(xiàn)鋰硫電池快速擴散/轉(zhuǎn)換動力學于2024年發(fā)表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103328）上。原文Enabling fast diffusion/conversion kinetics by thiourea-induced wrinkled N, S co-doped functional MXene for lithium-sulfur battery。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103328
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
