提高锂硫电池（LSBs）电化学性能的关键方法是开发一种可靠的硫宿主材料，它具有合理的结构、高电导率以及对锂多硫化物（LiPSs）的出色吸附/催化能力。在此，通过静电纺丝技术结合自我催化生长策略，制备了内生碳纳米管（CNTs）的钴掺杂空心Ti₃C₂T_x管，作为内置电子/离子传输网络（HTCTs/Co/CNTs）。HTCTs/Co/CNTs的独特分层多孔结构不仅增加了硫的负载量，缓解了体积膨胀，还通过物理限制和化学吸附的协同作用有效抑制了LiPSs的穿梭效应。研究表明，Ti₃C₂T_x MXene和金属钴的组合增强了LiPSs的吸附性，并加速了硫物种的催化转化，从而提高了硫的利用率和电化学可逆性。具有HTCTs/Co/CNTs/S阴极的相关电池在0.2 C下100个循环后保持了901.9  mAh/g的高容量，在1.0 C下500个循环后保持了725.9 mAh/g的容量。更重要的是，在高硫负载5.8mg/cm²和低E/S比4.3 µL/mg条件下，经过50个循环于0.1 C，实现了4.83 mAh/cm²的高面积容量。
 
Fig 1. (a) PMMA/Co(acac)₂ 纤维的SEM图像，(b) PMMA/Co(acac)₂纤维@Ti₃C₂T_x MXene的SEM图像，(c, d) HTCTs/Co/CNTs的SEM图像。 (e) HTCTs/Co/CNTs的TEM图像，(f, g) HTCTs/Co/CNTs的高分辨率TEM图像，(h-l) HTCTs/Co/CNTs的EDS映射图像。
 

Fig 2. (a) Ti₃AlC₂ MAX、TCSs、HTCTs及HTCTs/Co/CNTs的X射线衍射图案。高分辨率X射线光电子能谱图：(b) C 1s，(c) Ti 2p，以及(d) Co 2p的HTCTs/Co/CNTs。 (e) TCSs、HTCTs和HTCTs/Co/CNTs的N₂吸附-脱附等温线。 (f) TCSs、HTCTs和HTCTs/Co/CNTs的孔径分布。

 
Fig 3. (a) UV-可见光谱和光学图像（插图）显示Li₂S₆溶液在TCSs，HTCTs以及HTCTs/Co/CNTs样品吸附后的状态。(b) Li₂S₆吸附后，S 2p的X射线光电子能谱（XPS）图谱，以及HTCTs/Co/CNTs的图谱。(c) Li₂S₆吸附后，HTCTs/Co/CNTs的Ti 2p XPS谱图。(d) Li2S6吸附后，HTCTs/Co/CNTs的Co 2p XPS谱图。(e) Li₂S₆吸附在Ti₃C₂O₂和Ti₃C₂O₂-Co上的优化构型。(f) 各种锂硫物种（Li2S8，Li₂S₆，Li₂S₄，Li₂S₂和Li₂S）在Ti₃C₂O₂和Ti₃C₂O₂-Co上的吸附能。(g) S₈在Ti₃C₂O₂和Ti₃C₂O₂-Co表面还原的相对自由能曲线。(h) Li₂S₂和(i) Li₂S在Ti₃C₂O₂-Co和Ti₃C₂O₂表面的分解势垒。
 

Fig 4. (a) HTCTs/Co/CNTs的电位恒定放电曲线在2.05 V。(b) HTCTs的电位恒定放电曲线在2.05 V。(c) TCSs电极的电位恒定放电曲线在2.05 V。(d) HTCTs/Co/CNTs的锂硫容量溶解。(e) HTCTs的锂硫容量溶解。(f) TCSs电极的锂硫容量溶解。(g) HTCTs/Co/CNTs/S电极在不同扫描速率（从0.1到0.5毫伏每秒）下的循环伏安曲线。(h) HTCTs/Co/CNTs/S、HTCTs/S和TCSs/S电极的峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合：峰值A。(i) HTCTs/Co/CNTs/S、HTCTs/S和TCSs/S电极的峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合：峰值B。(j) HTCTs/Co/CNTs/S、HTCTs/S和TCSs/S电极的峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合：峰值C。(k) HTCTs/Co/CNTs/S电极的阶跃电解测试剖面。(l) 对应的HTCTs/Co/CNTs/S、HTCTs/S和TCSs/S电极的欧姆降。

 
Fig 5. (a) 0.1 毫伏每秒的循环伏安图, (b) 0.2 C 充放电曲线, (c) HTCTs/Co/CNTs/S，HTCTs/S 和 TCSs/S 电极的速率性能, (d) 不同电流率下 HTCTs/Co/CNTs/S 电极的放电曲线, (e) 不同电极在不同速率下的过电位, (f) 不同电极在低放电平台的容量, (g) 0.2 C 的循环性能, (h) 1.0 C 的循环性能, (i) HTCTs/Co/CNTs/S 电极与其他报告的 MXene 基硫正极的速率性能比较, (j) HTCTs/Co/CNTs/S 电极与其他报告的 MXene 基硫正极的循环性能比较。
 

Fig 6. 不同结构的硫负载策略示意图。(a-c) 硫负载不足；(d) 高硫含量时TCSs/S电极的低放电容量；(e-g) 硫负载不完全；(h) 高硫含量时HTCTs/S电极的中等放电容量；(i-k) 硫负载理想；(l) 高硫含量时HTCTs/Co/CNTs/S电极的优异放电容量。
 

Fig 7. (a) 不同硫负载和E/S比下HTCTs/Co/CNTs/S电极的循环性能。PP和HTCTs/Co/CNTs隔膜的原位拉曼光谱(b和c)，以及(d和e)。LSBs与HTCTs/Co/CNTs/S电极的原位阻抗谱(f-h)。TCSs (i)、HTCTs (j)和HTCTs/Co/CNTs电极上硫物种转化机制的示意图(k)。
 
相关研究工作由武汉科技大学Gaoran Li/Haijun Zhang课题组联合南京理工大学Gaoran Li 课题组于2024年共同发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，Hierarchical Co-doped Hollow Ti3C2TxTubes with Built-in Electron/Ion Transport Network for High-Performance Lithium Sulfur Batteries，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151978

转自《石墨烯研究》公众号