高能量密度鋰硫電池(LSBs)的長壽命仍然受到嚴重的多硫化物(PS)穿梭和緩慢的硫還原/析出動力學過程的阻礙。本文報道了一種簡便的硫脲誘導皺褶氮硫共摻功能化 MXene (NSMX)的制備方法，用于改進分離器以提高高能 LSBs 的離子擴散和轉化動力學。理論計算和實驗結果表明，N，S 雜原子的引入使過渡金屬 Ti 的 d 帶中心向費米能級移動，導致 N/S 原子與 PS 中 Li 原子之間的強鍵合效應，從而表現出對 PS 的吸附能力和快速催化 PS 可逆轉化率，快速消耗可溶性高階 PS，加速 Li2S6在高電位下的消耗。具有優良導電性的二維褶皺極表面保證了快速的電子轉移和離子遷移。由于硫利用率的提高和不利累積 Li2S6的減少，裝有 NSMX 改性分離器的 LSBs 在0.2 °C 下具有1249mAh g-1的高比容量。在5C 的高速率下，LSBs 還提供了令人印象深刻的600mAh g-1的可逆容量。此外，即使在高硫負荷和貧電解質消耗的條件下，也可以實現高容量和穩定的循環。
圖1. (a) NSMX合成示意圖;(b-d) NSMX掃描電鏡圖像和EDS圖譜;(e, f) NSMX的HRTEM圖像;(g) NSMX和MX的XRD衍射圖;(h) NSMX和MX的FT-IR信號;Li2S6反應前后NSMX的Ti 2p (i)和n1s (j) HRXPS譜(k) Li2S6反應后NSMX的Li 1s HRXPS譜。
圖2. (a) NSMX、MX和rGO改性分離器在30-60℃時的離子電導率;(b)由離子電導率計算的NSMX、MX和rGO改性分離器的活化能;(c)不同樣品的li2s6對稱電池在50 mV−1下的CV曲線;(d-f) NSMX、MX和rGO表面Li2S析出的恒電位i-t曲線;(g-i) Li2S在NSMX、MX和rGO表面分解的恒電位i-t曲線。
圖3. (a)吸附PS后rGO和NSMX的優化構型;(b)不同樣品對PS的吸附能;(c) MX和NSMX的PDOS圖;(d) Li2S6轉化為Li2S2的相對吉布斯自由能;(e, f) NSMX和MX的Li2S解離能譜。
圖4. (a)不同隔板電池的CV曲線;(b) CV曲線A-C峰不同細胞的Tafel斜率;(c, d)三種電池在充放電過程中的相對活化能;(e)不同隔板電池的Li+擴散能力;(f)細胞在0.2℃時的循環性能;(g)不同分離器的細胞速率性能;(h)費率執行情況與以前關于mxene工作的報告的比較;(i)細胞在1℃下的循環性能;(j)不同細胞的穿梭電流;(k)電池充電至2.8 V后的開路電壓-時間曲線。
圖5. 使用PP (a)和NSMX (b)的lsb在0.5℃時的原位拉曼光譜(c) lsb與NSMX改性分離器的PS相互作用示意圖;(d) NSMX在高S載荷和低E/S比下的循環性能。
相關科研成果由青島大學Jianjun Song等人-硫脲誘導皺褶 N，S 共摻雜功能性 MXene 實現鋰硫電池快速擴散/轉換動力學于2024年發表在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。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103328
轉自《石墨烯研究》公眾號
