與傳統鋰離子電池相比，鋰硫（Li-S）電池具有無可比擬的理論容量和能量密度，但由于“穿梭效應”和低鋰離子傳輸動力學導致的緩慢轉換動力學阻礙了它們的發展，導致快速容量衰減。在此，通過在 MXene 納米片（表示為 OMC- g -MXene）上均勻接枝介孔碳制備催化二維異質結構復合材料，作為 Li-S 電池中的界面動力學加速器。在這種設計中，異質結構中接枝的介孔碳不僅可以防止 MXene 納米片的堆疊，具有增強的機械性能，還可以提供促進離子擴散的促進泵。同時，暴露的富含缺陷的 OMC- g-MXene 異質結構通過 OMC- g -MXene 和多硫化物之間的化學相互作用抑制多硫化物穿梭，從而同時提高電化學轉化動力學和效率，正如通過原位/非原位表征所充分研究的那樣。因此，采用OMC-g-MXene離子泵的Li–S電池實現了高循環容量（0.2C下經過200次循環后為966 mAh g–1）、優異的倍率性能（5C下為537 mAh g
–1）和在1C下800次循環中每循環0.047%的超低衰減率。此外，即使在貧電解液條件下使用7.08 mg cm
–2的高硫負載正極，也獲得了4.5 mAh cm
–2的超高面容量，展示了其在未來的實際應用。
Fig 1. (A) OMC- g -MXene 異質結構的合成示意圖。(B, C) TEM 圖像和 (D) OMC- g -MXene 異質結構的高分辨率 TEM 圖像。(E) 孔徑分布。(F) Ti 2p 的高分辨率 XPS 和 (G) MXene 和 OMC- g -MXene 的 EPR 光譜。
Fig 2. (A)基于 OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 電極的 Li2S6對稱電池在 5 mV s
-1時的 CV 曲線。(B)用于評估 Li2S 成核動力學的帶有 Li2S8 陰極電解液的三個修飾電極在 2.05 V 下的恒電位放電曲線。(C) 具有催化層的 Li-S 電池的 CV 曲線。(D) ip的斜率總結與不同峰中掃描速率的平方根。(E) 在 0.1 C 下具有三個夾層的 Li-S 電池的 GITT 和 (F) 從 GITT 技術計算的相應過電勢。
Fig 3. (A) 基于各種夾層的鋰硫電池在 0.2 C 時的電壓曲線比較。(B) 在 0.2 C 時 ΔE和Q2/Q1比率的相應總結。 (C) 循環穩定性測試基于各種夾層的 Li-S 電池在 0.2 C 下的性能。（D）OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 異質結構改性電池的倍率性能。(E) 不同電流速率下容量保留的比較。(F) OMC- g - MXene異質結構修飾電池的長期循環穩定性。(G) 高負載電池在 OMC- g - MXene 異質結構上作為貧電解質夾層的循環穩定性測試。
Fig 4. (A) 不同溶液在 Li2S6溶液中充分浸泡 6 小時后的紫外-可見吸收光譜。插圖：Li2S6吸附實驗的光學照片。(B–D) Li2S6吸附前后OMC- g -MXene異質結構中Li 1s、S 2p和Ti 2p的高分辨率X射線光電子能譜對比。
Fig 5. 放電過程中不帶/帶 OMC- g -MXene 催化夾層的電池的原位拉曼測量。(A, C) PP 和 OMC- g -MXene/PP 分離器的原位時間分辨拉曼圖像。(B, D) 分別選擇了 PP 和 OMC- g -MXene 裝飾的 PP 隔膜的拉曼光譜。(E) OMC- g -MXene 夾層作為鋰離子泵加速反應動力學的機制示意圖。
相關研究工作由華東理工大學Liang Zhan課題組于2023年在線發表于《ACS Nano》期刊上，原文：Ordered Mesoporous Carbon Grafted MXene Catalytic Heterostructure as Li-Ion Kinetic Pump toward High-Efficient Sulfur/Sulfide Conversions for Li–S Battery。
轉自《石墨烯研究》公眾號
