【研究背景】

? 為了滿足日益增長的電動汽車和電網(wǎng)應(yīng)用的需要，高能量密度可充電電池，特別是鋰離子電池(LIBs)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于鋰資源的高成本和可用性，人們對鋰電池產(chǎn)生了擔憂。室溫鈉硫電池(RT Na?S)因其高理論能量密度(1274 W h kg?1)和鈉和硫的大儲量和低成本等優(yōu)點而很有發(fā)展前景。然而，RT-S電池存在可逆容量低、自放電和循環(huán)性能差等缺點，阻礙了其廣泛應(yīng)用。單質(zhì)硫的天然絕緣性限制了其作為活性材料的應(yīng)用，導(dǎo)致陰極的電化學(xué)過程動力學(xué)緩慢。同時，還原后的多硫化鈉在充放電過程中的溶解度比多硫化鋰嚴重得多，加劇了多硫化鈉的不可控穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致RT-S電池循環(huán)壽命較差。由于其二維結(jié)構(gòu)、功能面、高導(dǎo)電性和電池的化學(xué)耐久性，MXenes在可充電電池、超級電容器、催化劑、電磁屏蔽、電致變色材料、天線等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是在高倍率鋰硫電池、電容器和RT鈉電池等領(lǐng)域。

【文章簡介】

? ?近日，悉尼科技大學(xué)理學(xué)院清潔能源技術(shù)中心的汪國秀教授課題組和美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi共同發(fā)表在ACS Nano: Boosting Performance of Na?S Batteries Using Sulfur-Doped Ti3C2Tx? MXene Nanosheets with a Strong Affinity to Sodium Polysulfides。

? 鈉硫電池使用了儲量豐富的元素，為目前使用的電池提供了一個有吸引力的替代選擇，但它們需要更好的含硫材料來與鋰離子電池競爭容量和循環(huán)能力。本文提出了一種原位硫摻雜策略，通過將異原子硫從MAX前驅(qū)體引入MXene結(jié)構(gòu)來功能化MXene納米薄片。采用真空冷凍干燥法制備了具有高比表面積的三維褶皺MXene納米結(jié)構(gòu)。在室溫鈉硫電池中，采用特制的皺縮硫摻雜MXene (S?Ti3C2Tx??)納米片作為電極主體材料。S?Ti3C2Tx?基與多硫化鈉呈高極性，限制了多硫化鈉的擴散。MXene/硫電極可以實現(xiàn)高面積負載的硫達到4.5 mg cm?2，以及良好的電化學(xué)性能(500循環(huán)后在2C時的可逆容量為577 mAh g?1)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一為原位硫摻雜的合成過程示意圖。

圖二為硫摻雜MAX和MXene的物理表征。

圖三為材料孔徑分析、熱重、XRD以及XPS圖譜。

圖四為半電池性能測試?？梢钥闯鯯摻雜MXene的硫鈉電池具有相對優(yōu)良的倍率及循環(huán)性能。

【本文總結(jié)】

? 三維褶皺S摻雜的MXene結(jié)構(gòu)可以有效地作為高性能鈉硫電池的電極主體。S?Ti3C2Tx?/S電極具有高容量和良好的循環(huán)性能。XPS、拉曼光譜和DFT計算證實了s摻雜的MXene對聚硫化鈉的強化學(xué)吸附能力。高比容量和良好的循環(huán)性能表明，s負載褶皺s摻雜的MXene體系結(jié)構(gòu)在鈉硫電池中具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，本研究還說明了通過MAX相前驅(qū)體a位點摻雜對MXene表面化學(xué)修飾的可行性。除了裁減M和X元素、原子層數(shù)(n)和蝕刻條件(時間、溫度和組成)，a位點摻雜的使用已被證明可以進一步修改表面化學(xué)性質(zhì)和增強MXene性能。

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