鋰硫（Li-S）電池的實際應用受到多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應和S陰極上緩慢的多硫化物氧化還原動力學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結構，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部空間，由于其強大的吸附能力和與LiPSs的催化轉化作用，可以作為S主體加速多硫化物氧化還原動力學并抑制LiPSs的穿梭效應。同時，CoSe2@N-MXene薄膜（CoSe2@NMF）可以作為集流體，促進均勻的鋰沉積，因為它含有親鋰的CoSe2和N位點。在CoSe2@N-MXene對S正極和Li金屬負極的系統作用下，Li-S電池的電化學和安全性能得到改善。 CoSe2@NMF在柔性儲能器件中也表現出優異的存儲性。
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用示意圖。
圖2. 樣品的微觀形貌和結構。 (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質量。 (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. 復合S陰極的研究。 (a-c) 分別在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上優化的 Li2S6 結構。 (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下的循環性能。
圖5. 復合鋰金屬負極的研究。 (a) MXene、(b) N-MXene 和 (c) CoSe2 上 Li 的優化結構。 (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 區域中阻抗與角頻率倒數平方根函數的關系圖。
圖6. COMSOL 模擬分別在 100 秒內 (a–c) MF 和 (d–f) CoSe2@NMF 上的電場強度、電流密度和電解質濃度分布。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全電池的結構示意圖。 (p) 硬幣型 Li-S 全電池在 0.2 C 下的循環性能。(q) Li-S 全電池為 LED 燈供電的照片。
相關科研成果由山東大學Shenglin Xiong，Jinkui Feng等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
