锂硫 (Li–S) 电池被认为是最有希望实现 500 Wh kg^-1能量密度的电池之一。然而，穿梭效应、缓慢的硫转化动力学和锂枝晶生长等挑战严重阻碍了实际实施。在此，多尺度 V₂C MXene (VC)具有球形限域结构的被设计为高效双功能催化剂，用于锂硫电池中硫和锂物种的演化。结合同步加速器 X 射线三维纳米计算机断层扫描 (X-ray 3D nano-CT)、小角中子散射 (SANS) 技术和第一性原理计算，揭示了通过调整 VC 的活性可以最大化规模和所达到的功能进行如下：（i）VC由于大量的活性位点而充当有效的多硫化锂（LiPS）清除剂。(ii)由于规模效应，VC 对 Li₂S 成核和分解反应动力学表现出显着改善的电催化功能。(iii) VC 可以调节 Li ⁺的动态行为由于独特的离子筛分作用，从而有效地稳定了锂的沉积/剥离。阴极和阳极的同步优化赋予锂硫电池优异的倍率性能和循环稳定性，例如，在0.1 C的倍率下，电池获得了1206.4 mA h g^–1的高初始容量；在1.0 C的倍率下，循环600圈电池容量衰减率为平均每圈0.04%；在8.1 mg cm^-2的高硫载量和4μL mg_s^-1的低电解液用量下，电池依然呈现出8.1 mA h cm^-2的初始面容量和有利的循环稳定性。
 
Fig 1. 示意图说明了基于 VC 的隔膜对硫和锂析出效率的规模效应。 (a) 基于 VC 的隔膜对硫和锂析出的双重影响。 (b) VC 球体与电化学活性之间的关系。 (c–e) 各种 VC 样品的 SEM 图像。 (f) VC 大小对锂离子动力学行为的影响。 (g) 筛孔密度与锂离子通量之间关系的 COMSOL 结果。
 
Fig 2. 用于电催化活性操纵的 VC 球的规模控制有针对性的有效硫转化反应。 (a) 以 Li₂S₆ 为电解质的对称电池中 VC 的 CV 曲线。来自 LSV 的峰 i (b) 和峰 ii (c) 的 Tafel 图。 Li₂S₈/四甘醇二甲醚溶液在不同尺寸 VC 基板上的恒电位放电 (d) 和充电 (f) 曲线。在各种 VC 基板上电化学沉淀 (e) 和解离 (g) Li2S 的 SEM 图像。
 
Fig 3. VC 球体上硫释放的特征。 (a) 用于样品观察的同步加速器 X射线3D纳米 CT 设备示意图。 (b) 在各种 VC 基板上电化学沉积 Li₂S 的同步加速器 X 射线 3D 纳米 CT 图像。 (c) 来自同步加速器X射线3D纳米 CT的VC上 Li2S 沉淀的平均质量比例和 eqdiameter。 (d) VC 和石墨烯对 Li₂S、Li₂S₂ 和 Li₂S₄ 的吸附能以及相应的构型。 (e) 分别在 VC 和石墨烯上的 Li₂S 团簇的解离势垒和路径。
 
Fig 4. 基于电化学、SANS、SEM和理论计算分析VC尺寸效应对锂演化的影响水垢识别的 VC 对锂负极表面状态的影响。 (a) 锂沉积程序在 1 mA cm^-2 下的电压容量曲线，固定容量为 1 mA h cm^-2。 (b) 基于 VC 的隔膜的离子电导率随温度从 273 变化到 313 K 的变化，插图显示：Ea 的比较。 (c) 插入不同基于 VC 的隔膜的 Li||Li 对称电池的倍率性能。 (d) 用于锂阳极检测的 SANS 设施示意图。 (e) 循环后具有基于 VC 的隔膜的 Li//Li 对称电池中来自 Li 阳极的散射强度信号的 SANS 矩阵。 (f) 锂负极在具有VC基隔膜的Li//Li对称电池循环后散射信号的拟合曲线，插图为相应锂负极表面的SEM图像。(g) 量纲变量、回转半径和幂律指数的统计图表。根据理论模拟，Li 原子在 (h) VC 和 (i) 石墨烯上的吸附能。 (j) 锂原子在 VC 和石墨烯上的扩散势垒，插图显示：锂原子可能的扩散途径。
 
Fig 5. VC尺寸效应对锂硫电池电化学性能的影响。 (a) 速率能力。 (b) 0.2 C 时的充电/放电曲线。(c) 0.2 C 时高放电平台 (QH) 和低放电平台 (QL) 容量的比较。0.2 C (d) 和 1 C 时的循环性能(e).在 0.1 C 时硫负载量为 4.8 mg cm^-2，在 0.2 C 时负载量为 5.3 mg cm^-2 (f) 和在 0.1 C (g) 时负载量为 8.1 mg cm^-2 的 Li-S 电池的循环性能。 (h) 插入 VC-1/PP 的 Li-S 软包电池在 0.2 C 下的循环性能，插图显示了由串联软包电池点亮的 LED 器件。 (i–j) 雷达图显示了这项工作与其他报告之间的锂硫电池性能比较。
 
        相关研究工作由西南科技大学Yingze Song课题组于2023年在线发表于《Advanced Materials》期刊上，原文：Dual-Functional V2C MXene Assembly in Facilitating the Sulfur Evolution Kinetics and Li-Ion Sieving towards Practical Lithium–Sulfur Batteries。

转自《石墨烯研究》公众号