与传统锂离子电池相比，锂硫（Li-S）电池具有无可比拟的理论容量和能量密度，但由于“穿梭效应”和低锂离子传输动力学导致的缓慢转换动力学阻碍了它们的发展，导致快速容量衰减。在此，通过在 MXene 纳米片（表示为 OMC- g -MXene）上均匀接枝介孔碳制备催化二维异质结构复合材料，作为 Li-S 电池中的界面动力学加速器。在这种设计中，异质结构中接枝的介孔碳不仅可以防止 MXene 纳米片的堆叠，具有增强的机械性能，还可以提供促进离子扩散的促进泵。同时，暴露的富含缺陷的 OMC- g-MXene 异质结构通过 OMC- g -MXene 和多硫化物之间的化学相互作用抑制多硫化物穿梭，从而同时提高电化学转化动力学和效率，正如通过原位/非原位表征所充分研究的那样。因此，采用OMC-g-MXene离子泵的Li–S电池实现了高循环容量（0.2C下经过200次循环后为966 mAh g–1）、优异的倍率性能（5C下为537 mAh g^–1）和在1C下800次循环中每循环0.047%的超低衰减率。此外，即使在贫电解液条件下使用7.08 mg cm^–2的高硫负载正极，也获得了4.5 mAh cm^–2的超高面容量，展示了其在未来的实际应用。
 
Fig 1. (A) OMC- g -MXene 异质结构的合成示意图。(B, C) TEM 图像和 (D) OMC- g -MXene 异质结构的高分辨率 TEM 图像。(E) 孔径分布。(F) Ti 2p 的高分辨率 XPS 和 (G) MXene 和 OMC- g -MXene 的 EPR 光谱。
 
Fig 2. (A)基于 OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 电极的 Li2S6对称电池在 5 mV s^-1时的 CV 曲线。(B)用于评估 Li2S 成核动力学的带有 Li2S8 阴极电解液的三个修饰电极在 2.05 V 下的恒电位放电曲线。(C) 具有催化层的 Li-S 电池的 CV 曲线。(D) ip的斜率总结与不同峰中扫描速率的平方根。(E) 在 0.1 C 下具有三个夹层的 Li-S 电池的 GITT 和 (F) 从 GITT 技术计算的相应过电势。
   
Fig 3. (A) 基于各种夹层的锂硫电池在 0.2 C 时的电压曲线比较。(B) 在 0.2 C 时 ΔE和Q2/Q1比率的相应总结。 (C) 循环稳定性测试基于各种夹层的 Li-S 电池在 0.2 C 下的性能。（D）OMC、MXene 和 OMC- g -MXene 异质结构改性电池的倍率性能。(E) 不同电流速率下容量保留的比较。(F) OMC- g - MXene异质结构修饰电池的长期循环稳定性。(G) 高负载电池在 OMC- g - MXene 异质结构上作为贫电解质夹层的循环稳定性测试。
 
Fig 4. (A) 不同溶液在 Li2S6溶液中充分浸泡 6 小时后的紫外-可见吸收光谱。插图：Li2S6吸附实验的光学照片。(B–D) Li2S6吸附前后OMC- g -MXene异质结构中Li 1s、S 2p和Ti 2p的高分辨率X射线光电子能谱对比。
 
Fig 5. 放电过程中不带/带 OMC- g -MXene 催化夹层的电池的原位拉曼测量。(A, C) PP 和 OMC- g -MXene/PP 分离器的原位时间分辨拉曼图像。(B, D) 分别选择了 PP 和 OMC- g -MXene 装饰的 PP 隔膜的拉曼光谱。(E) OMC- g -MXene 夹层作为锂离子泵加速反应动力学的机制示意图。
 
        相关研究工作由华东理工大学Liang Zhan课题组于2023年在线发表于《ACS Nano》期刊上，原文：Ordered Mesoporous Carbon Grafted MXene Catalytic Heterostructure as Li-Ion Kinetic Pump toward High-Efficient Sulfur/Sulfide Conversions for Li–S Battery。

转自《石墨烯研究》公众号