Nano Energy：石墨烯和碳化鈦面內異質結構抑制聚硫化物穿梭

【背景介紹】

?鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。由于硫元素在地球上的儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點，構成的鋰硫電池理論能量密度（2600 Wh kg^?1）高，被認為是最有代表性的下一代能源儲存設備之一。多硫化鋰（LiPSs）的穿梭效應是阻礙鋰硫（Li-S）電池面向實際應用主要的障礙之一。為了改善這一問題，研究人員嘗試將硫與碳、導電聚合物或金屬基化合物復合，目前已經取得了一些進展。

近日，來自清華大學深圳研究生院的楊全紅教授、呂偉副研究員（共同通訊）等人研發了一種由石墨烯和碳化鈦(TiC)在隔膜上構筑的面內異質結構，直接利用石墨烯作為模板和碳源，與TiCl4反應并熱處理制備。在此過程中，石墨烯部分轉變成形成異質結構的TiC，有利于減少鋰離子和電子擴散勢壘。此外，TiC對LiPSs具有很強的親和力，導電性高。因此，這種面內異質結構作為隔膜的覆蓋層能有效地抑制LiPS的穿梭，從而提高了硫的利用率和循環性能。相關成果以題為“An in-plane heterostructure of graphene and titanium carbide for efficient polysulfide confinement”發表在了Nano Energy上。第一作者為清華大學深圳研究生院碩士生周天紅。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯和碳化鈦面內異質結構合成示意圖及SEM和TEM圖像

圖2 G-25％TiC-S（含25%TiC的石墨烯隔膜覆蓋層）和G-S（石墨烯隔膜覆蓋層）的截面SEM圖及100次循環前后G-25％TiC-S中Ti?2p軌道的XPS圖譜

圖3 利用G-25％TiC-S和G-S組裝成鋰硫電池的隔膜及吸附實驗和電化學性能對比

【小結】

?該研究團隊使用石墨烯作為模板和碳源，通過TiCl₄?CVD工藝在隔膜上構建了石墨烯碳化鈦異質結構，其中石墨烯被部分地轉變到TiC。碳化鈦與石墨烯的結合不僅大大降低了Li離子和電子擴散勢壘，而且有利于LiPSs的捕獲和轉化。因此，將這種獨特的面內異質結構作為隔膜的覆蓋層應用于Li-S電池中，使得電池表現出高比容量及良好的倍率性能這種異質結構的設計不僅提供了一種提高Li-S電池實用性的有效方法，而且在催化、氣體吸附和其他儲能裝置中的有著潛在的應用。

文獻鏈接：An in-plane heterostructure of graphene and titanium carbide for efficient polysulfide confinement（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.012）

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