鋰硫（Li-S）電池的實際應(yīng)用受到多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應(yīng)和S陰極上緩慢的多硫化物氧化還原動力學(xué)以及鋰金屬陽極上不可控的枝晶生長的抑制。因此，在改造Li−S電池時，必須同時考慮正極和負(fù)極。在此，首次通過一步溶劑熱法在二維 N 摻雜 MXene 納米片（CoSe2@N-MXene）上原位生長二維（2D）超薄 CoSe2 納米帶。由于其獨特的2D/2D結(jié)構(gòu)，CoSe2@N-MXene可以通過冷凍干燥加工成皺褶的納米片，并通過真空過濾加工成柔性且獨立的薄膜。這些皺褶的CoSe2@N-MXene納米片具有豐富的活性位點和內(nèi)部空間，由于其強(qiáng)大的吸附能力和與LiPSs的催化轉(zhuǎn)化作用，可以作為S主體加速多硫化物氧化還原動力學(xué)并抑制LiPSs的穿梭效應(yīng)。同時，CoSe2@N-MXene薄膜（CoSe2@NMF）可以作為集流體，促進(jìn)均勻的鋰沉積，因為它含有親鋰的CoSe2和N位點。在CoSe2@N-MXene對S正極和Li金屬負(fù)極的系統(tǒng)作用下，Li-S電池的電化學(xué)和安全性能得到改善。 CoSe2@NMF在柔性儲能器件中也表現(xiàn)出優(yōu)異的存儲性。
圖1. 皺褶 CoSe2@N-MXene 納米片和柔性/獨立式 CoSe2@N-MXene 薄膜的制造過程及其在平衡鋰硫電池中的應(yīng)用示意圖。
圖2. 樣品的微觀形貌和結(jié)構(gòu)。 (a) MXene 納米片和 (b) 通過冷凍干燥獲得的皺褶 CoSe2@N-MXene 納米片的 SEM 圖像。 (c) MF 和 (d) CoSe2@NMF 的俯視 SEM 圖像。插圖是靈活且獨立的 MF 和 CoSe2@NMF 的照片。 (e) MF 和 (f) CoSe2@NMF 的光學(xué)輪廓圖像。 (g) MF 和 (h) CoSe2@NMF 的橫截面 SEM 圖像。 (i, j) CoSe2@N-MXene 納米片的 TEM 圖像。 (k) N-MXene 納米片上 CoSe2 納米帶的 HADDF-STEM 圖像。 (l) CoSe2@N-MXene 納米片的 STEM-EDS 圖。
圖3. 樣品的物理化學(xué)表征。 (a) CoSe2@N-MXene 納米片的 XRD 圖。 (b) CoSe2、N-MXene 和 CoSe2@N-MXene 納米片的拉曼光譜。 (c) CoSe2@N-MXene納米片的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布。 V 表示孔體積，W 表示固體上吸附的吸附質(zhì)質(zhì)量。 (d–i) CoSe2@N-MXene 納米片中 Ti 2p、C 1s、N 1s、O 1s、Co 2p 和 Se 3d 的高分辨率 XPS 光譜。
圖4. 復(fù)合S陰極的研究。 (a-c) 分別在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上優(yōu)化的 Li2S6 結(jié)構(gòu)。 (d) Li2S6 在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上的吸附能。 (e) CoSe2@N-MXene 主體的 Li-S 電池在 0.2 C 下的初始充放電曲線和相應(yīng)的原位 XRD。 (f)不同主體的Li-S電池的CV曲線。 (g) 從 (f) 和 (h) 相應(yīng)的塔菲爾圖獲得的線性掃描伏安曲線，其中 j 是電流。 (i)不同主體的鋰硫電池的倍率性能。 (j) CoSe2@N-MXene 主體的 Li-S 電池在不同倍率下的充放電曲線。 (k) 不同主體的鋰硫電池在2 C下的循環(huán)性能。
圖5. 復(fù)合鋰金屬負(fù)極的研究。 (a) MXene、(b) N-MXene 和 (c) CoSe2 上 Li 的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 (d) Li 在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上的吸附能。 (e) 不同電流密度下 MF 和 CoSe2@NMF 上的 Li 成核和 (f) 沉積過電勢。 (g) MF 和 CoSe2@NMF 上鋰電鍍/剝離的 CE。 (h, i) 對稱電池的循環(huán)和 (j) 倍率性能。 (k) 在 MF 和 CoSe2@NMF 上以 1 mA cm−2 沉積 10 mAh cm−2 Li 后電池的奈奎斯特圖。 (l) Warburg 區(qū)域中阻抗與角頻率倒數(shù)平方根函數(shù)的關(guān)系圖。
圖6. COMSOL 模擬分別在 100 秒內(nèi) (a–c) MF 和 (d–f) CoSe2@NMF 上的電場強(qiáng)度、電流密度和電解質(zhì)濃度分布。分別以 1 mA cm−2 在 (g, h) MF 和 (i, j) CoSe2@NMF 上沉積 5 mAh cm−2 和 10 mAh cm−2 的 Li 后的俯視 SEM 圖像。以 1 mA cm−2 在 (k) MF 和 (l) CoSe2@NMF 上沉積 5 mAh cm−2 Li 后的橫截面 SEM 圖像。在 (m) MF 和 (n) CoSe2@NMF 上以 1 mA cm−2 進(jìn)行鋰電鍍/剝離過程后的俯視 SEM 圖像，極限容量為 1 mAh cm−2。 (o) Li-S全電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 (p) 硬幣型 Li-S 全電池在 0.2 C 下的循環(huán)性能。(q) Li-S 全電池為 LED 燈供電的照片。
相關(guān)科研成果由山東大學(xué)Shenglin Xiong，Jinkui Feng等人于2024年發(fā)表在Science Bulletin（https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.043）上。原文：One-step growth of ultrathin CoSe2 nanobelts on N-doped MXene nanosheets for dendrite-inhibited and kinetic-accelerated lithium–sulfur chemistry
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.043
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
