鋰硫 (Li–S) 電池被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn) 500 Wh kg
-1能量密度的電池之一。然而，穿梭效應(yīng)、緩慢的硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)和鋰枝晶生長等挑戰(zhàn)嚴(yán)重阻礙了實(shí)際實(shí)施。在此，多尺度 V
2C MXene (VC)具有球形限域結(jié)構(gòu)的被設(shè)計(jì)為高效雙功能催化劑，用于鋰硫電池中硫和鋰物種的演化。結(jié)合同步加速器 X 射線三維納米計(jì)算機(jī)斷層掃描 (X-ray 3D nano-CT)、小角中子散射 (SANS) 技術(shù)和第一性原理計(jì)算，揭示了通過調(diào)整 VC 的活性可以最大化規(guī)模和所達(dá)到的功能進(jìn)行如下：（i）VC由于大量的活性位點(diǎn)而充當(dāng)有效的多硫化鋰（LiPS）清除劑。(ii)由于規(guī)模效應(yīng)，VC 對 Li
2S 成核和分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)出顯著改善的電催化功能。(iii) VC 可以調(diào)節(jié) Li
+的動(dòng)態(tài)行為由于獨(dú)特的離子篩分作用，從而有效地穩(wěn)定了鋰的沉積/剝離。陰極和陽極的同步優(yōu)化賦予鋰硫電池優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，例如，在0.1 C的倍率下，電池獲得了1206.4 mA h g
–1的高初始容量；在1.0 C的倍率下，循環(huán)600圈電池容量衰減率為平均每圈0.04%；在8.1 mg cm
-2的高硫載量和4μL mg
s-1的低電解液用量下，電池依然呈現(xiàn)出8.1 mA h cm
-2的初始面容量和有利的循環(huán)穩(wěn)定性。
Fig 1. 示意圖說明了基于 VC 的隔膜對硫和鋰析出效率的規(guī)模效應(yīng)。 (a) 基于 VC 的隔膜對硫和鋰析出的雙重影響。 (b) VC 球體與電化學(xué)活性之間的關(guān)系。 (c–e) 各種 VC 樣品的 SEM 圖像。 (f) VC 大小對鋰離子動(dòng)力學(xué)行為的影響。 (g) 篩孔密度與鋰離子通量之間關(guān)系的 COMSOL 結(jié)果。
Fig 2. 用于電催化活性操縱的 VC 球的規(guī)模控制有針對性的有效硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)。 (a) 以 Li
2S
6 為電解質(zhì)的對稱電池中 VC 的 CV 曲線。來自 LSV 的峰 i (b) 和峰 ii (c) 的 Tafel 圖。 Li
2S
8/四甘醇二甲醚溶液在不同尺寸 VC 基板上的恒電位放電 (d) 和充電 (f) 曲線。在各種 VC 基板上電化學(xué)沉淀 (e) 和解離 (g) Li2S 的 SEM 圖像。
Fig 3. VC 球體上硫釋放的特征。 (a) 用于樣品觀察的同步加速器 X射線3D納米 CT 設(shè)備示意圖。 (b) 在各種 VC 基板上電化學(xué)沉積 Li
2S 的同步加速器 X 射線 3D 納米 CT 圖像。 (c) 來自同步加速器X射線3D納米 CT的VC上 Li2S 沉淀的平均質(zhì)量比例和 eqdiameter。 (d) VC 和石墨烯對 Li
2S、Li
2S
2 和 Li
2S
4 的吸附能以及相應(yīng)的構(gòu)型。 (e) 分別在 VC 和石墨烯上的 Li
2S 團(tuán)簇的解離勢壘和路徑。
Fig 4. 基于電化學(xué)、SANS、SEM和理論計(jì)算分析VC尺寸效應(yīng)對鋰演化的影響水垢識(shí)別的 VC 對鋰負(fù)極表面狀態(tài)的影響。 (a) 鋰沉積程序在 1 mA cm
-2 下的電壓容量曲線，固定容量為 1 mA h cm
-2。 (b) 基于 VC 的隔膜的離子電導(dǎo)率隨溫度從 273 變化到 313 K 的變化，插圖顯示：Ea 的比較。 (c) 插入不同基于 VC 的隔膜的 Li||Li 對稱電池的倍率性能。 (d) 用于鋰陽極檢測的 SANS 設(shè)施示意圖。 (e) 循環(huán)后具有基于 VC 的隔膜的 Li//Li 對稱電池中來自 Li 陽極的散射強(qiáng)度信號(hào)的 SANS 矩陣。 (f) 鋰負(fù)極在具有VC基隔膜的Li//Li對稱電池循環(huán)后散射信號(hào)的擬合曲線，插圖為相應(yīng)鋰負(fù)極表面的SEM圖像。(g) 量綱變量、回轉(zhuǎn)半徑和冪律指數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖表。根據(jù)理論模擬，Li 原子在 (h) VC 和 (i) 石墨烯上的吸附能。 (j) 鋰原子在 VC 和石墨烯上的擴(kuò)散勢壘，插圖顯示：鋰原子可能的擴(kuò)散途徑。
Fig 5. VC尺寸效應(yīng)對鋰硫電池電化學(xué)性能的影響。 (a) 速率能力。 (b) 0.2 C 時(shí)的充電/放電曲線。(c) 0.2 C 時(shí)高放電平臺(tái) (QH) 和低放電平臺(tái) (QL) 容量的比較。0.2 C (d) 和 1 C 時(shí)的循環(huán)性能(e).在 0.1 C 時(shí)硫負(fù)載量為 4.8 mg cm
-2，在 0.2 C 時(shí)負(fù)載量為 5.3 mg cm
-2 (f) 和在 0.1 C (g) 時(shí)負(fù)載量為 8.1 mg cm
-2 的 Li-S 電池的循環(huán)性能。 (h) 插入 VC-1/PP 的 Li-S 軟包電池在 0.2 C 下的循環(huán)性能，插圖顯示了由串聯(lián)軟包電池點(diǎn)亮的 LED 器件。 (i–j) 雷達(dá)圖顯示了這項(xiàng)工作與其他報(bào)告之間的鋰硫電池性能比較。
相關(guān)研究工作由西南科技大學(xué)Yingze Song課題組于2023年在線發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
