高能量密度锂硫电池(LSBs)的长寿命仍然受到严重的多硫化物(PS)穿梭和缓慢的硫还原/析出动力学过程的阻碍。本文报道了一种简便的硫脲诱导皱褶氮硫共掺功能化 MXene (NSMX)的制备方法，用于改进分离器以提高高能 LSBs 的离子扩散和转化动力学。理论计算和实验结果表明，N，S 杂原子的引入使过渡金属 Ti 的 d 带中心向费米能级移动，导致 N/S 原子与 PS 中 Li 原子之间的强键合效应，从而表现出对 PS 的吸附能力和快速催化 PS 可逆转化率，快速消耗可溶性高阶 PS，加速 Li2S6在高电位下的消耗。具有优良导电性的二维褶皱极表面保证了快速的电子转移和离子迁移。由于硫利用率的提高和不利累积 Li2S6的减少，装有 NSMX 改性分离器的 LSBs 在0.2 °C 下具有1249mAh g-1的高比容量。在5C 的高速率下，LSBs 还提供了令人印象深刻的600mAh g-1的可逆容量。此外，即使在高硫负荷和贫电解质消耗的条件下，也可以实现高容量和稳定的循环。

 
图1. (a) NSMX合成示意图;(b-d) NSMX扫描电镜图像和EDS图谱;(e, f) NSMX的HRTEM图像;(g) NSMX和MX的XRD衍射图;(h) NSMX和MX的FT-IR信号;Li2S6反应前后NSMX的Ti 2p (i)和n1s (j) HRXPS谱(k) Li2S6反应后NSMX的Li 1s HRXPS谱。

 
图2. (a) NSMX、MX和rGO改性分离器在30-60℃时的离子电导率;(b)由离子电导率计算的NSMX、MX和rGO改性分离器的活化能;(c)不同样品的li2s6对称电池在50 mV−1下的CV曲线;(d-f) NSMX、MX和rGO表面Li2S析出的恒电位i-t曲线;(g-i) Li2S在NSMX、MX和rGO表面分解的恒电位i-t曲线。

 
图3. (a)吸附PS后rGO和NSMX的优化构型;(b)不同样品对PS的吸附能;(c) MX和NSMX的PDOS图;(d) Li2S6转化为Li2S2的相对吉布斯自由能;(e, f) NSMX和MX的Li2S解离能谱。

 
图4. (a)不同隔板电池的CV曲线;(b) CV曲线A-C峰不同细胞的Tafel斜率;(c, d)三种电池在充放电过程中的相对活化能;(e)不同隔板电池的Li+扩散能力;(f)细胞在0.2℃时的循环性能;(g)不同分离器的细胞速率性能;(h)费率执行情况与以前关于mxene工作的报告的比较;(i)细胞在1℃下的循环性能;(j)不同细胞的穿梭电流;(k)电池充电至2.8 V后的开路电压-时间曲线。

 
图5. 使用PP (a)和NSMX (b)的lsb在0.5℃时的原位拉曼光谱(c) lsb与NSMX改性分离器的PS相互作用示意图;(d) NSMX在高S载荷和低E/S比下的循环性能。
 
       相关科研成果由青岛大学Jianjun Song等人-硫脲诱导皱褶 N，S 共掺杂功能性 MXene 实现锂硫电池快速扩散/转换动力学于2024年发表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103328）上。原文Enabling fast diffusion/conversion kinetics by thiourea-induced wrinkled N, S co-doped functional MXene for lithium-sulfur battery。
      原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103328

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