锂硫（Li-S）电池的实际应用受到多硫化锂（LiPS）的穿梭效应和S阴极上缓慢的多硫化物氧化还原动力学以及锂金属阳极上不可控的枝晶生长的抑制。因此，在改造Li−S电池时，必须同时考虑正极和负极。在此，首次通过一步溶剂热法在二维 N 掺杂 MXene 纳米片（CoSe2@N-MXene）上原位生长二维（2D）超薄 CoSe2 纳米带。由于其独特的2D/2D结构，CoSe2@N-MXene可以通过冷冻干燥加工成皱褶的纳米片，并通过真空过滤加工成柔性且独立的薄膜。这些皱褶的CoSe2@N-MXene纳米片具有丰富的活性位点和内部空间，由于其强大的吸附能力和与LiPSs的催化转化作用，可以作为S主体加速多硫化物氧化还原动力学并抑制LiPSs的穿梭效应。同时，CoSe2@N-MXene薄膜（CoSe2@NMF）可以作为集流体，促进均匀的锂沉积，因为它含有亲锂的CoSe2和N位点。在CoSe2@N-MXene对S正极和Li金属负极的系统作用下，Li-S电池的电化学和安全性能得到改善。 CoSe2@NMF在柔性储能器件中也表现出优异的存储性。

 
图1. 皱褶 CoSe2@N-MXene 纳米片和柔性/独立式 CoSe2@N-MXene 薄膜的制造过程及其在平衡锂硫电池中的应用示意图。

 
图2. 样品的微观形貌和结构。 (a) MXene 纳米片和 (b) 通过冷冻干燥获得的皱褶 CoSe2@N-MXene 纳米片的 SEM 图像。 (c) MF 和 (d) CoSe2@NMF 的俯视 SEM 图像。插图是灵活且独立的 MF 和 CoSe2@NMF 的照片。 (e) MF 和 (f) CoSe2@NMF 的光学轮廓图像。 (g) MF 和 (h) CoSe2@NMF 的横截面 SEM 图像。 (i, j) CoSe2@N-MXene 纳米片的 TEM 图像。 (k) N-MXene 纳米片上 CoSe2 纳米带的 HADDF-STEM 图像。 (l) CoSe2@N-MXene 纳米片的 STEM-EDS 图。

 
图3. 样品的物理化学表征。 (a) CoSe2@N-MXene 纳米片的 XRD 图。 (b) CoSe2、N-MXene 和 CoSe2@N-MXene 纳米片的拉曼光谱。 (c) CoSe2@N-MXene纳米片的N2吸附-脱附等温线和孔径分布。 V 表示孔体积，W 表示固体上吸附的吸附质质量。 (d–i) CoSe2@N-MXene 纳米片中 Ti 2p、C 1s、N 1s、O 1s、Co 2p 和 Se 3d 的高分辨率 XPS 光谱。

 
图4. 复合S阴极的研究。 (a-c) 分别在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上优化的 Li2S6 结构。 (d) Li2S6 在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上的吸附能。 (e) CoSe2@N-MXene 主体的 Li-S 电池在 0.2 C 下的初始充放电曲线和相应的原位 XRD。 (f)不同主体的Li-S电池的CV曲线。 (g) 从 (f) 和 (h) 相应的塔菲尔图获得的线性扫描伏安曲线，其中 j 是电流。 (i)不同主体的锂硫电池的倍率性能。 (j) CoSe2@N-MXene 主体的 Li-S 电池在不同倍率下的充放电曲线。 (k) 不同主体的锂硫电池在2 C下的循环性能。

    
图5. 复合锂金属负极的研究。 (a) MXene、(b) N-MXene 和 (c) CoSe2 上 Li 的优化结构。 (d) Li 在 MXene、N-MXene 和 CoSe2 上的吸附能。 (e) 不同电流密度下 MF 和 CoSe2@NMF 上的 Li 成核和 (f) 沉积过电势。 (g) MF 和 CoSe2@NMF 上锂电镀/剥离的 CE。 (h, i) 对称电池的循环和 (j) 倍率性能。 (k) 在 MF 和 CoSe2@NMF 上以 1 mA cm−2 沉积 10 mAh cm−2 Li 后电池的奈奎斯特图。 (l) Warburg 区域中阻抗与角频率倒数平方根函数的关系图。

 
图6. COMSOL 模拟分别在 100 秒内 (a–c) MF 和 (d–f) CoSe2@NMF 上的电场强度、电流密度和电解质浓度分布。分别以 1 mA cm−2 在 (g, h) MF 和 (i, j) CoSe2@NMF 上沉积 5 mAh cm−2 和 10 mAh cm−2 的 Li 后的俯视 SEM 图像。以 1 mA cm−2 在 (k) MF 和 (l) CoSe2@NMF 上沉积 5 mAh cm−2 Li 后的横截面 SEM 图像。在 (m) MF 和 (n) CoSe2@NMF 上以 1 mA cm−2 进行锂电镀/剥离过程后的俯视 SEM 图像，极限容量为 1 mAh cm−2。 (o) Li-S全电池的结构示意图。 (p) 硬币型 Li-S 全电池在 0.2 C 下的循环性能。(q) Li-S 全电池为 LED 灯供电的照片。
  
      相关科研成果由山东大学Shenglin Xiong，Jinkui Feng等人于2024年发表在Science Bulletin（https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.043）上。原文：One-step growth of ultrathin CoSe2 nanobelts on N-doped MXene nanosheets for dendrite-inhibited and kinetic-accelerated lithium–sulfur chemistry
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.043

转自《石墨烯研究》公众号