王瑞虎&楊植 ACS Nano : 花狀多孔Ti3C2Tx基電極同步提升鋰硫電池面積和體積容量

【引言】

由于正極材料硫具有高理論容量、低成本和環境友好等優勢，鋰硫(Li-S)電池在下一代儲能系統中表現出很大的應用前景。為了采用傳統漿料涂布技術制造高硫負載正極，一般的可利用如下兩種策略：(1) 設計三維導電網絡以解決在高硫含量條件下導電性問題；(2) 將納米材料單元組裝成微米尺寸的二級結構，構筑致密且高振實密度的正極，以增加顆粒堆積并降低空隙度。上述策略在一定程度上改善了面積硫負載量和相應的面積容量，但是大多數報道通常使用導電多孔納米碳作為硫載體，然而由于碳材料的低極性和低的振實密度，使得體系在高硫負載下的體積能量密度和循環性能并不理想。因此，開發用于高面積和體積容量Li-S電池的高振實密度、極性和導電性的新型碳替代物非常重要。無機導電材料(如過渡金屬硫化物、碳化物和氮化物)具有豐富的極性位點，可以很好地抑制正極中活性物質的流失。特別地，過渡金屬碳/氮化物(MXene)，因為其具有強的多硫化物吸附性、高導電性(10⁴ S·cm^-1)和高的振實密度是優先的候選物。

【成果簡介】
近日，中科院福建物構所王瑞虎研究員、溫州大學楊植教授(共同通訊作者)等報道了未加入任何碳導電添加劑的花狀多孔Ti3C₂T_x(FLPT)基正極系統，并在ACS Nano上發表了題為“Synchronous Gains of Areal and Volumetric Capacities in Lithium-Sulfur Batteries Promised by Flower-like Porous Ti₃C₂T_x Matrix”的研究論文。所得FLPT-S電極具有10.04 mAh·cm^-2的高面積容量和2009 mAh·cm^-3的超高體積容量。此外，非原位電子順磁共振和紫外-可見光譜證明，FLPT能夠在循環過程中實現S₆^2-陰離子與S₃^·-自由基之間的快速動態平衡，從而促進硫物種的氧化還原反應。該研究為不含導電碳添加劑的MXene基高能量密度Li-S電池的設計提供了靈感。該方法有望擴展到其他高性能電極材料，如鋰離子電池和超級電容器，從而為各種高性能儲能系統的發展帶來巨大希望。

【圖文導讀】
圖1 FLPT和FLPT-S的制備

a) FLPT和FLPT-S的合成示意圖；
b) Ti₃C₂T_x納米片中納米網的形成機理示意圖。

圖2 FLPT和FLPT-S的形貌表征

a,b) FLPT的SEM圖像；
c) FLPT的TEM圖像；
d) FLPT的高分辨TEM圖像；
e) FLPT-S的SEM圖像；
f) FLPT-S的TEM圖像以及相應的元素分布圖。

圖3 FLPT-S的電化學性能

a) FLPT-S-4.2、FLPT-S-6.8和FLPT-S-10.5電極第二圈CV曲線；
b) FLPT-S-4.2、FLPT-S-6.8和FLPT-S-10.5電極的充/放電曲線；
c) FLPT-S-4.2、FLPT-S-6.8和FLPT-S-10.5電極的Li⁺擴散速率；
d) 在1/30 C時FLPT-S-4.2、FLPT-S-6.8和FLPT-S-10.5電極的面積和體積容量；
e) ASL、面積容量和體積容量比較的三維投影圖。

圖4 FLPT-S的表面化學

a) FLPT和CNT吸附Li₂S₆示意圖；
b) FLPT和FLPT-Li₂S₆的高分辨Ti 2p XPS光譜；
c) FLPT和FLPT-Li₂S₆的高分辨S 2p XPS光譜；
d) 對稱Li₂S₆-Li₂S₆電池的CV曲線。

圖5 FLPT促進固-液轉化

a,b) FLPT-S-4.2和CNTs-S在不同充/放電狀態下的非原位EPR光譜；
c,d) FLPT-S-4.2和CNTs-S在不同充/放電狀態下的紫外-可見吸收光譜；
e) 循環期間FLPT與硫物種之間相互作用的示意圖。

【小結】

綜上所述，作者研究了MXene基FLPT-S正極材料，其不包含任何碳添加劑，可同時提高鋰硫電池的面積和體積容量。該優越的性能主要歸功于微米級FLPT二次組裝體的巧妙設計。FLTP通過原始Ti₃C₂T_x納米片節省空間的排列，其與傳統的碳基正極材料相比，硫緊密地粘附在納米片的表面上，使得FLPT-S具有較高的振實密度。此外，作者提出了S₆^2-陰離子和S₃^·-自由基在循環過程中的動態平衡，以深入了解硫物種固-液-固轉化的機理。

文獻鏈接：Synchronous Gains of Areal and Volumetric Capacities in Lithium-Sulfur Batteries Promised by Flower-like Porous Ti₃C₂T_x Matrix (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09296)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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