中科院福建物构所王瑞虎研究员ACS Nano：超细Ti3C2 MXene纳米点散布纳米片用于高能量密度Li-S电池

【引言】

人们对便携式电子设备，电动汽车和大型智能电网不断增长的需求推动了能量存储技术的快速发展。由于正极材料硫具有高理论比容量，丰富的自然储备，低成本和环境友好等显著优点，锂硫电池被认为是最有前景的下一代能量存储系统。然而，锂硫电池也具有一些棘手的问题：1）硫及其固体放电产物的绝缘性质；2）可溶性多硫化锂（LiPS）中间体在电解液中的溶解和穿梭效应的发生；3）在充电/放电循环期间活性物质大的体积变化。这些缺点极大地限制了的商业化应用。尽管一些策略已经用于解决以上挑战，然而，使用导电碳质材料作为硫主体来构造高级复合硫正极的方法中，由于低极性碳和高极性LiPS之间的相互作用弱，碳基材料提供的物理隔离和物理吸附对抑制电池容量衰减的作用有限，特别是对于高载硫电极。此外，碳基材料和LiPS的亲和性差也阻碍了有效的界面电荷转移并减缓了硫物种的反应动力学。而且，大量低振实密度碳的存在，极大得牺牲了电池的体积能量密度。因此，非常需要设计一种具有高导电性和丰富暴露活性位点的硫主体材料以替代导电碳，以获得高的面积和体积容量。

近日，中国科学院福建物质结构研究所王瑞虎（通讯作者）课题组提出基于MXene的Ti₃C₂T_x（T_x代表表面终端）纳米点散布的Ti₃C₂T_x纳米片（TCD-TCS），以实现在高硫负载条件下活性物质硫的限域固定和转化。TCD-TCS中丰富的表面极性位点增强了电极的结构完整性，不含碳基材料和导电添加剂使得正极材料具有高振实密度。TCD-TCS/ S电极在1.8mg cm^-2的中等载硫量下表现出几乎理论的放电比容量。在13.8mg cm^-2的高硫负载下，同步实现超高容量（1957mAh cm^-3）和高面积容量（13.7mAh cm^-2）。放电过程中硫析出机理研究表明了基于MXene的纳米点和纳米片的集成在Li-S电池中的重要性。相关研究成果以“Ultrafine Ti₃C₂ MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries  ”为题发表在ACS Nano上。论文的第一作者为肖助兵博士。

【图文导读】

图一、制备TCD-TCS和TCD-TCS/ S的示意图

图二、TC形貌表征和物理表征（a-b）TC-60（a）和TC-80（b）的TEM图像；

（c-d）水热处理2小时TC-100的SEM图像（c）和TEM图像（d）；

（e）TC-100和TC-100-Li₂S₆的 Li 1s光谱；

（f）TC-60，TC-80和TC-100在水中浓度为1.5 mg mL^-1时的pH与ζ电位的相关性；

（g）在pH =7时，TC-60，TC-80和TC-100在水，LiNO₃和Li₂SO₄溶液中的zeta电位；

（h）TC-100和TC-100-Li₂S₆的Ti 2p XPS光谱；

（i）在具有0.5M Li₂S₆的电解质中的TC-60，TC-80，TC-100和CNT电极的对称电池的C-V曲线。

图三、TC-100/ S形貌表征

（a-c）TC-100/ S顶部SEM图像和相应的元素分部；

（d）TC-100/ S的TEM图像；

（e）TC-100/ S的粒径分布；

（f）TC-100/ S的SAED；

（g-i）TC-100/ S侧面的SEM图像（g-h）和TEM图像（i）。

图四、电化学性能测试

（a-b）载硫量为1.8mg cm^-2的TC-60/ S，TC-80/ S和TC-100/ S电极的充放电曲线（a）和倍率性能（b）；

（c）载硫量为1.8mg cm^-2的TC-100/ S在2C电流下的循环性能；

（d-e）载硫量为9.2mg cm^-2（d）和13.8mg cm^-2（e）的电极在0.05C下的循环性能；

（f）在400次循环放电状态下，TC-100/ S侧面SEM图像；

（g-i）在400次循环充电状态下，TC-100/ S侧面SEM图像（g），顶部SEM图像（h）和顶部TEM图像（i）。

图五、放电过程中活性材料演变的示意图（a）普通C/ S正极的放电过程中活性材料演变的示意图。

（b）TC-100/ S正极的放电过程中活性材料演变的示意图

【小结】

本文开发了基于MXene的TCD-TCS，硫可以紧密地粘附在TCD-TCS的表面上，形成紧密堆积的结构。高密度超细TCD在TCS表面上的均匀散布大大降低了它们的界面阻力，并促进了硫的氧化还原动力学，即使在高电流密度和高硫负载下也能实现硫的高利用率。使用基于MXene的材料实现了高面积容量和超高体积容量的同步增加。

文献链接：“Ultrafine Ti₃C₂ MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries ”(ACS Nano，2019， DOI:10.1021/acsnano.9b00177 )

本文由材料人编辑部学术组CYM编译供稿，材料牛整理编辑。

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