中科院福建物構所王瑞虎研究員ACS Nano：超細Ti3C2?MXene納米點散布納米片用于高能量密度Li-S電池

【引言】

人們對便攜式電子設備，電動汽車和大型智能電網不斷增長的需求推動了能量存儲技術的快速發展。由于正極材料硫具有高理論比容量，豐富的自然儲備，低成本和環境友好等顯著優點，鋰硫電池被認為是最有前景的下一代能量存儲系統。然而，鋰硫電池也具有一些棘手的問題：1）硫及其固體放電產物的絕緣性質；2）可溶性多硫化鋰（LiPS）中間體在電解液中的溶解和穿梭效應的發生；3）在充電/放電循環期間活性物質大的體積變化。這些缺點極大地限制了的商業化應用。盡管一些策略已經用于解決以上挑戰，然而，使用導電碳質材料作為硫主體來構造高級復合硫正極的方法中，由于低極性碳和高極性LiPS之間的相互作用弱，碳基材料提供的物理隔離和物理吸附對抑制電池容量衰減的作用有限，特別是對于高載硫電極。此外，碳基材料和LiPS的親和性差也阻礙了有效的界面電荷轉移并減緩了硫物種的反應動力學。而且，大量低振實密度碳的存在，極大得犧牲了電池的體積能量密度。因此，非常需要設計一種具有高導電性和豐富暴露活性位點的硫主體材料以替代導電碳，以獲得高的面積和體積容量。

近日，中國科學院福建物質結構研究所王瑞虎（通訊作者）課題組提出基于MXene的Ti₃C₂T_x（T_x代表表面終端）納米點散布的Ti₃C₂T_x納米片（TCD-TCS），以實現在高硫負載條件下活性物質硫的限域固定和轉化。TCD-TCS中豐富的表面極性位點增強了電極的結構完整性，不含碳基材料和導電添加劑使得正極材料具有高振實密度。TCD-TCS/ S電極在1.8mg cm^-2的中等載硫量下表現出幾乎理論的放電比容量。在13.8mg cm^-2的高硫負載下，同步實現超高容量（1957mAh cm^-3）和高面積容量（13.7mAh cm^-2）。放電過程中硫析出機理研究表明了基于MXene的納米點和納米片的集成在Li-S電池中的重要性。相關研究成果以“Ultrafine Ti₃C₂?MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries??”為題發表在ACS Nano上。論文的第一作者為肖助兵博士。

【圖文導讀】

圖一、制備TCD-TCS和TCD-TCS/ S的示意圖

圖二、TC形貌表征和物理表征（a-b）TC-60（a）和TC-80（b）的TEM圖像；

（c-d）水熱處理2小時TC-100的SEM圖像（c）和TEM圖像（d）；

（e）TC-100和TC-100-Li₂S₆的?Li 1s光譜；

（f）TC-60，TC-80和TC-100在水中濃度為1.5 mg mL^-1時的pH與ζ電位的相關性；

（g）在pH =7時，TC-60，TC-80和TC-100在水，LiNO₃和Li₂SO₄溶液中的zeta電位；

（h）TC-100和TC-100-Li₂S₆的Ti 2p XPS光譜；

（i）在具有0.5M Li₂S₆的電解質中的TC-60，TC-80，TC-100和CNT電極的對稱電池的C-V曲線。

圖三、TC-100/ S形貌表征

（a-c）TC-100/ S頂部SEM圖像和相應的元素分部；

（d）TC-100/ S的TEM圖像；

（e）TC-100/ S的粒徑分布；

（f）TC-100/ S的SAED；

（g-i）TC-100/ S側面的SEM圖像（g-h）和TEM圖像（i）。

圖四、電化學性能測試

（a-b）載硫量為1.8mg cm^-2的TC-60/ S，TC-80/ S和TC-100/ S電極的充放電曲線（a）和倍率性能（b）；

（c）載硫量為1.8mg cm^-2的TC-100/ S在2C電流下的循環性能；

（d-e）載硫量為9.2mg cm^-2（d）和13.8mg cm^-2（e）的電極在0.05C下的循環性能；

（f）在400次循環放電狀態下，TC-100/ S側面SEM圖像；

（g-i）在400次循環充電狀態下，TC-100/ S側面SEM圖像（g），頂部SEM圖像（h）和頂部TEM圖像（i）。

圖五、放電過程中活性材料演變的示意圖（a）普通C/ S正極的放電過程中活性材料演變的示意圖。

（b）TC-100/ S正極的放電過程中活性材料演變的示意圖

【小結】

本文開發了基于MXene的TCD-TCS，硫可以緊密地粘附在TCD-TCS的表面上，形成緊密堆積的結構。高密度超細TCD在TCS表面上的均勻散布大大降低了它們的界面阻力，并促進了硫的氧化還原動力學，即使在高電流密度和高硫負載下也能實現硫的高利用率。使用基于MXene的材料實現了高面積容量和超高體積容量的同步增加。

文獻鏈接：“Ultrafine Ti₃C₂?MXene Nanodots-Interspersed?Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries ”(ACS Nano，2019，?DOI:10.1021/acsnano.9b00177 )

本文由材料人編輯部學術組CYM編譯供稿，材料牛整理編輯。

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