北科納米可提供MXene復合材料（可定制）

研究摘要

鋰離子電池因其較高能量密度和長循環(huán)壽命等特性而成功的實現(xiàn)了應(yīng)用，但是鋰金屬資源的有限和鋰離子電池整體成本高依舊制約著其進一步的發(fā)展。相比而言，鎂離子電池安全、成本低，鎂作負極時表面不容易產(chǎn)生枝晶、理論體積比容量大 (3832 mAh cm-3)，且鎂金屬資源豐富（儲量是鋰的1000倍）、市場價格低廉、化學穩(wěn)定性高于鋰，被認為是理想的鋰離子電池部分替代品。自Aurbach首次提出了一種可充電的鎂離子電池原型以來，人們一直致力于提高鎂離子電池的能量密度、可逆性和循環(huán)壽命。鎂離子電池的首要研究方向是尋求合適的正極材料和與之匹配的電解液。其中，硫單質(zhì)是非常有應(yīng)用潛力的正極材料，它具有非常高的理論質(zhì)量比容量（1672 mAh g-1）和理論體積比容量（3459 mAh cm-3），且硫資源豐富、價格低。但是，鎂硫電池在充放電過程中總是伴隨著多硫化物的“穿梭”現(xiàn)象，造成電池容量衰減、循環(huán)壽命短。

非親核性的電解液(如Mg(HMDS)2、Mg(CB11H12)2、Mg(TFSI)2）通常被應(yīng)用于鎂硫電池。其中Mg(TFSI)2電解液被廣泛應(yīng)用于鎂離子電池和鎂硫電池，而高濃度電解液可以抑制多硫化鎂的溶解，從而一定程度上抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。除此，碳、金屬化合物等作為宿硫材料應(yīng)用于鎂硫電池可以提高正極的導電性并且可以抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。于是，如何促進宿硫材料對多硫化物的吸附、促進多硫化物的快速轉(zhuǎn)化、抑制多硫化物在電解液中的溶解，進而提高鎂硫電池的實際比容量和循環(huán)壽命、提升鎂硫電池的電化學性能是一個值得研究的問題。

本工作通過MXene二維納米片與Co2+靜電自組裝進一步制備了Ti3C2@Co-LDH復合材料，該材料在Ar/H2氣氛中退火得到Ti3C2@CoO復合材料。Ti3C2材料具有良好的導電性，基于多硫化物吸附實驗和密度泛函理論(DFT)計算證實了Ti3C2@CoO復合材料相比較于單獨的Ti3C2材料對多硫化鎂有更強的吸附作用，而Ti3C2相比較于CoO更有利于Mg2+的擴散。此外，1 M Mg(TFSI)2/AlCl3/diglyme 電解液能夠顯著改善鎂硫電池電化學性能。

該成果在線發(fā)表于國際知名期刊?Chemical Engineering Journal?(影響因子13.273) 上，題目為：Rational design of high concentration electrolytes and MXene-based sulfur host materials toward high-performance magnesium sulfur batteries。

徐昊為本文第一作者。

圖文導讀

圖1.?(a) Ti3C2@CoO復合材料的制備過程示意圖。(b) Ti3AlC2, Ti3C2和Ti3C2-350.的XRD圖。(c) S, Ti3C2@CoO和S-Ti3C2@CoO的XRD圖。

圖2.?(a) Ti3C2@Co-LDH?復合材料的SEM圖, (b, c) Ti3C2@CoO復合材料的SEM圖，(d) S-Ti3C2@CoO復合材料的SEM圖。Ti3C2@CoO 復合材料的 (e, f) TEM圖, (g) HRTEM圖， (h) SAED 圖。(i-o) S-Ti3C2@CoO 復合材料不同放大倍數(shù)下的SEM圖和相應(yīng)的EDX圖。

圖3.?鎂硫電池電化學性能測試結(jié)果。當電流密度為100 mA g-1時，S-Ti3C2@CoO正極材料配以 (a) 1 M 和 (b) 0.25 M Mg(TFSI)2/AlCl3/diglyme電解液組裝得到的鎂硫電池在第10、20、30和40次的電壓-比容量曲線。(c) 電流密度為100 mA g-1時的循環(huán)性能比較。(d) 電化學阻抗譜圖比較。

圖4.?(a) S-Ti3C2@CoO正極在初始、首圈完全放電、首圈完全充電狀態(tài)下的S 2p光電子能譜圖(XPS)。(b,d,f) CoO對MgS8、MgS4和MgS吸附模型示意圖，(c,e,g) Ti3C2對MgS8、MgS4和MgS吸附模型示意圖。(h)吸附能計算結(jié)果。(i) 鎂硫電池充放電過程中多硫化鎂相互轉(zhuǎn)化示意圖。

總結(jié)

? ? ? XRD、SEM和TEM結(jié)果證明了Ti3C2@CoO復合材料的成功合成。從高分辨TEM圖上可以看到5-10 nm的CoO顆粒均勻的覆蓋在Ti3C2納米片上。進一步將其與單質(zhì)硫復合得到S-Ti3C2@CoO復合材料，SEM圖表明該復合材料表面變得粗糙， EDX結(jié)果證實了C、O、Ti、Co和S元素的均勻分布。電化學測試結(jié)果表明，1 M Mg(TFSI)2/AlCl3/diglyme 電解液相比較于0.25 M 電解液可以顯著提升鎂硫電池電化學性能。Ti3C2@CoO宿硫材料相比較于Ti3C2宿硫材料能進一步改善鎂硫電池電化學性能。S-Ti3C2@CoO正極材料配以1M Mg(TFSI)2/AlCl3/diglyme電解液組裝得到的鎂硫電池展現(xiàn)出良好的電化學性能，當電流密度為100 mA g-1時，循環(huán)70次后可以保持540 mAh g-1的比容量。非原位XPS結(jié)果證明鎂硫電池是以鎂和多硫化鎂之間的相互轉(zhuǎn)化進行充放電的，初始放電過程中，S不能轉(zhuǎn)化為MgS，造成初始放電比容量小于理論比容量，而多硫化鎂在充電中不能夠完全轉(zhuǎn)化為S，造成容量衰減。DFT計算證明CoO相比較于Ti3C2對MgS8、MgS4和MgS具有更負的吸附能，表明了CoO對多硫化鎂的強吸附性。本文所研究的體系對鎂硫電池電解液和宿硫材料的制備提供了有益的啟示。

文獻鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131031

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