MXene是比石墨烯還火的二維明星材料，身為先進(jìn)的MXene制造商，北科納米推出特惠活動(dòng)，mxene等材料九折起，同時(shí)北科納米推出新介孔材料、硅氣凝膠產(chǎn)品，更多優(yōu)惠價(jià)格，等你來秒殺！

研究速覽

■?近日，廣東工業(yè)大學(xué)蔡俊杰，孫志鵬和中山大學(xué)盧俠（共同通訊作者），在國際知名期刊Journal of Colloid and Interface Science上發(fā)表題為“V4C3TX MXene:First-principles ?computational ?and ?separator modification study on immobilization and catalytic conversion of polysulfide in Li-S batteries”的研究論文。該論文首次將V4C3TX應(yīng)用于鋰硫電池隔膜改性中。作者首先從理論計(jì)算出發(fā)，通過將V4C3TX與其他過渡族元素MXene進(jìn)行對(duì)比，從中體現(xiàn)V4C3TX對(duì)多硫化物強(qiáng)大的吸附性能，并且通過吉布斯自由能發(fā)現(xiàn)，V4C3TX在多硫化物催化轉(zhuǎn)化上也具備優(yōu)異效果。緊接著作者通過實(shí)驗(yàn)和鋰硫電池電化學(xué)性能進(jìn)一步證實(shí)V4C3TX-PP作為鋰硫電池改性隔膜可以在物理阻隔多硫化物的同時(shí)吸附以及催化轉(zhuǎn)化多硫化物，從而大幅度提升鋰硫電池的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性。

▉? 研究摘要? ▉

■?在鋰硫電池隔膜改性材料的應(yīng)用中，使用的最多的二維過渡金屬碳化物就是Ti3C2Tx。它們憑借高電子導(dǎo)電性，高的催化活性表面以及對(duì)多硫化物的有效錨定廣泛應(yīng)用于解決鋰硫電池的穿梭效應(yīng)問題。然而，其他的二維過渡金屬碳化物則少有出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，應(yīng)用于鋰硫電池隔膜改性的更是少之又少。

■?鑒于此，廣東工業(yè)大學(xué)孫志鵬教授課題組報(bào)道了一種V4C3TX MXene應(yīng)用于鋰硫電池隔膜修飾。在這項(xiàng)工作中，通過第一性原理預(yù)測(cè)，與MXene家族的大多數(shù)其他金屬碳化物相比，V4C3TX可以促進(jìn)多硫化鋰(LiPSs)的“吸附-擴(kuò)散-轉(zhuǎn)化”過程。受此啟發(fā)，作者通過簡單的氫氟酸刻蝕法制備出多層的V4C3TX并調(diào)制漿料涂覆于商用PP隔膜一側(cè)，作為隔膜修飾層應(yīng)用于鋰硫電池。正如預(yù)期的那樣，V4C3TX改性PP隔膜(V4C3TX-PP)可以通過物理阻擋、化學(xué)吸附和催化轉(zhuǎn)化有效地防止LiPSs的穿梭效應(yīng)，這通過可視化多硫化物吸附和擴(kuò)散測(cè)試、XPS分析以及一系列電化學(xué)評(píng)價(jià)得到證實(shí)。因此，含V4C3TX-PP的LSB實(shí)現(xiàn)了高的初始放電容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能(1C時(shí)為927 mAh g-1，800次循環(huán)后為516 mAh g-1，1C=1675 mA g-1)。令人驚喜的是，該電池在2C和4C時(shí)分別達(dá)到725 mAh g-1和586 mAh g-1的優(yōu)異倍率性能。此外，基于V4C3TX-PP的LSB表現(xiàn)出4.3 mAh cm-2的高面積容量，即使硫負(fù)載量高達(dá)4 mg cm-2。這項(xiàng)工作從理論和實(shí)驗(yàn)的角度拓展了MXene的應(yīng)用類型和范圍。V4C3TX MXene改性隔膜在鋰硫電池中的首次應(yīng)用賦予了其巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者首先從第一性原理比較了V4C3TX MXene與其他過渡族元素MXene對(duì)于多硫化物的吸附性能。其中，V4C3TX在與多硫化物吸附能上要明顯優(yōu)于目前最廣泛使用的Ti3C2TX，這一點(diǎn)在多硫化物的吸附實(shí)驗(yàn)也被驗(yàn)證。其次，吉布斯自由能說明了V4C3TX可以有效地催化轉(zhuǎn)化多硫化物，尤其是在Li2S的沉積上。能壘圖進(jìn)一步表示鋰離子在V4C3TX能夠快速遷移，這也說明了將V4C3TX應(yīng)用于鋰硫電池隔膜中可以加快鋰離子的遷移從而提高離子傳導(dǎo)效率。

圖1. V4C3TX MXene第一性原理計(jì)算分析

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者通過簡單的氫氟酸法成功刻蝕出了多層的V4C3TX（如圖2-1）。其次，將刻蝕好的樣品調(diào)制漿料涂覆于商用PP隔膜。通過對(duì)V4C3Tx-PP改性隔膜的表征，如圖2-2所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，首先片層形貌的MXene可以有效地填補(bǔ)商用PP隔膜原有的大孔，從而物理阻隔多硫化物的通過，其次，對(duì)改性隔膜進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次折疊與展開，改性層未脫落體現(xiàn)了改性層優(yōu)異的機(jī)械性能。接觸角測(cè)試也說明了改性層的加入改善了隔膜表面的浸潤性。最后通過H型電解池進(jìn)一步驗(yàn)證了V4C3TX-PP能夠有效地阻隔多硫化物。

圖2-1. V4C3TX MXene物相表征

圖2-2. V4C3Tx-PP修飾層表征

▉? 研究要點(diǎn)3??▉

■?作者將V4C3TX-PP改性隔膜裝載到鋰硫電池中進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。首先從循環(huán)伏安曲線可以看出V4C3TX-PP改性隔膜改善了鋰硫電池的導(dǎo)電性，極化現(xiàn)象明顯減少。這一點(diǎn)也充分體現(xiàn)在倍率性能和大電流下穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，作者還將V4C3TX-PP改性隔膜加入到高載量鋰硫電池當(dāng)中，如圖3-2所示，在高硫負(fù)載的情況下，改性隔膜依舊體現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)比，可以清晰地看出V4C3TX-PP改性隔膜在鋰硫電池隔膜研究中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿Α?/strong>

圖3-1. 搭載V4C3TX-PP修飾層的鋰硫電池電化學(xué)性能

圖3-2高載量電池測(cè)試

▉? 研究總結(jié)? ▉

■作者首先通過第一性原理出發(fā)，比較了V4C3TX與其他MXene在鋰硫電池中與多硫化物的吸附效果。其次通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算，從可視化多硫化物吸附試驗(yàn)，擴(kuò)散測(cè)試、XPS分析以及一系列電化學(xué)表征證實(shí)了V4C3TX-PP從“吸附-擴(kuò)散-轉(zhuǎn)化”機(jī)制去吸附多硫化物，加速鋰離子擴(kuò)散以及催化轉(zhuǎn)化多硫化物從而進(jìn)一步提高鋰硫電池電化學(xué)性能?？偟膩碚f，這項(xiàng)工作涉及V4C3Tx MXene的第一性原理計(jì)算、表征和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將是探索高性能Li-S電池的其他MXene成員的積極嘗試。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979722012589#bi005

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