【研究背景】

隨著便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和可再生能源的需求不斷增加，人們需要成本更低、能量密度更高、使用壽命更長的儲(chǔ)能設(shè)備。Li-S電池結(jié)合了地球上儲(chǔ)量豐富的高容量硫正極和鋰負(fù)極，被認(rèn)為是最有希望的候選者，它具有高的理論特殊容量(1675 mAh g?1)和高理論能量密度(2600 Wh kg?1)。然而，阻礙鋰硫電池應(yīng)用的障礙是容量衰減快、倍率性能差和實(shí)際能量密度低。聚硫化物穿梭、硫/Li2S的低傳導(dǎo)性和低硫面積負(fù)載的高電解質(zhì)/硫比(E/S)是造成這些挑戰(zhàn)的根本原因。在過去的幾十年中，人們一直在努力開發(fā)具有穩(wěn)定性能和高能量密度的Li-S電池。其中，具有不同微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的功能性硫基質(zhì)材料有望在正極中捕獲多硫化物。多硫化物的物理/化學(xué)吸附策略有望抑制有害的穿梭效應(yīng)。這些方法縮短了Li-S電池研究與應(yīng)用之間的差距。

【成果簡介】

最近，中國三峽大學(xué)Xuelin Yang教授課題組和湖南大學(xué)Xiao Liang教授合作在國際知名學(xué)術(shù)期刊Nano-Micro Letters上發(fā)表一篇題目為：Comprehensive Design of the High-Sulfur-Loading Li–S Battery Based on MXene Nanosheets的研究論文，該研究基于MXene相（Ti3C2Tx納米片）進(jìn)行了全面的材料設(shè)計(jì)和電池結(jié)構(gòu)構(gòu)建，旨在實(shí)現(xiàn)高硫面負(fù)載的Li-S電池的穩(wěn)定循環(huán)性能。將固有的帶負(fù)電的MXene納米片組裝到帶正電的科琴黑/硫（KB / S）顆粒上，以構(gòu)建交織的KB/ S @ Ti3C2Tx復(fù)合材料?？魄俸谛咎岣吡肆虻碾妼?dǎo)率，同時(shí)Ti3C2Tx保證了可溶性多硫化物的物理/化學(xué)吸附并進(jìn)一步提高了面內(nèi)電導(dǎo)率。更重要的是，自組裝二級(jí)顆粒結(jié)構(gòu)有益于承載硫電極的體積膨脹/收縮的結(jié)構(gòu)整體性。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 a KB/S@Ti3C2Tx復(fù)合材料的制造示意圖b 相應(yīng)材料的Zeta電位 c相應(yīng)材料水懸浮液的數(shù)碼照片（d，e）KB/S和（f，g）KB/S@Ti3C2Tx的SEM圖像

圖2硫電極掃描電鏡的比較

圖3 KB/S@Ti3C2Tx的電化學(xué)性能

圖4 a KB@Ti3C2Tx的SEM圖像。KB@Ti3C2Tx涂層隔膜的b SEM圖像c SEM截面圖和d照片。e使用原始PP隔膜和KB @Ti3C2Tx涂層隔膜多硫化物的滲透率

圖5 相應(yīng)樣品的電化學(xué)性能

【本文總結(jié)】

本文展示了一種材料和電池結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)高硫面負(fù)載的改進(jìn)Li-S電池。材料基于對(duì)多硫化物具有親和力的MXene相。通過靜電自組裝的方法對(duì)硫主體和涂覆在隔板上的中間層進(jìn)行了材料工程。制備的KB/S@Ti3C2Tx具有一種交織結(jié)構(gòu)，其中KB碳核改善了電導(dǎo)率，而MXene納米片則保證了可溶解的硫化物的物理/化學(xué)吸附。更重要的是，該交織結(jié)構(gòu)有益于結(jié)構(gòu)整體性，從而有利于硫電極的體積膨脹/收縮。為了進(jìn)一步阻止可能從正極逸出的多硫化物，將KB@Ti3C2Tx涂覆在隔板上以充當(dāng)中間層（約3μm）。由于最小的厚度和重量比，該中間層不會(huì)犧牲體積/重量能量密度。但是，它會(huì)延遲并活化溶解多硫化物，從而提高了總硫的利用率。通過結(jié)合堅(jiān)固的KB/S@Ti3C2Tx負(fù)極和有效的KB@Ti3C2Tx改性隔膜，我們獲得了一種穩(wěn)定的Li-S電池，在相對(duì)貧乏的電解液中具有高硫面負(fù)載。

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