AEM研究论文: MXene@rGO复合导电框架限域纳米活性位点助力高性能镁/锂硫电池

第一作者：郭淼，袁重阳

通讯作者：余学斌*，张腾飞*

单    位：复旦大学，南京航空航天大学

基于多电子转换反应的金属硫电池因其高理论容量(1675 mAh g–1)、储量丰富、原材料价格低和生态友好而被视为最具前景的下一代储能电池体系之一。得益于镁（-2.36 V vs. NHE）负极体积能量密度高（3833 mAh cm^-3）、安全性能好和成本低廉，镁-硫（Mg-S）继锂-硫电池后得到广泛的关注。然而，镁-硫电池的研究和发展仍面临着诸多挑战。首先，硫及其最终还原产物MgS都是电子/离子绝缘体，这会导致正极活性物质利用率低和电化学动力学性能差的问题。其次，S转化为MgS的中间产物长链多硫化物(MgSn, 3<n≤8)易溶解在电解液中并穿透隔膜到达负极，从而导致阳极腐蚀和库仑效率的降低。

此外，由于硫转化为mgs过程中发生体积膨胀容易从集流器上脱落，进一步加速了容量的衰减。最后，mg²⁺在电解液中的溶剂化作用较强，其缓慢的扩散能力进一步减缓了电池反应动力学。因此，在镁硫电池体系中抑制穿梭效应和提升反应动力学至关重要。

近日，来自复旦大学的余学斌教授和南京航空航天大学的张腾飞研究员合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“In Situ Built Nanoconfined TiO₂ Particles in Robust-Flexible MXene@rGO Conductive Framework Enabling High-Performance Hybrid Magnesium–Sulfur Batteries”的研究文章。

该工作合成了一种刚柔并济的MXene@rGO复合导电框架，并通过简单的原位氧化在MXene和rGO的层间生长纳米限域的TiO₂颗粒。实验与理论计算结果证明，由MXene构建的高结构强度的3D空心纳米球可以增加正极材料的比表面积，同时缓解循环过程中硫正极体积变化造成的结构损伤。其次，高柔性的rGO可以像蛛网一样将MXene空心球交联，从而缩短了电子/离子的迁移路径，降低离子迁移能垒。更重要的是，MXene@rGO层间的TiO₂活性位点显著增强了对多硫化物的吸附/催化转化作用，并将其限制在导电框架内，在缓解穿梭效应的同时加速电化学反应动力学，进一步提高其倍率性能和循环稳定性。

采用静电吸附和牺牲模板法构建三维MXene@rGO导电框架。这种独特的三维中空纳米球结构可以有效地防止MXene和rGO片材的堆积，大大增加材料的比表面积。MXene的高结构强度可以缓解充放电过程中S体积变化造成的结构损伤，从而防止空心球体结构坍塌，提高循环稳定性。具有高结构柔韧性的氧化石墨烯组成可以像蜘蛛网一样交联MXene空心球，缩短了电子/离子迁移路径，降低了离子迁移能垒，从而提高了电化学动力学和速率性能。

采用简单的原位氧化的方法在MXene和rGO界面层间生成的TiO₂纳米颗粒。TiO₂能够与硫和多硫化物形成Ti-S键，显著增强了多硫化物的吸附，并将其限制在导电框架内，从而缓解了“穿梭效应”。此外，通过分析反应产物物相并结合理论计算结果，我们发现在TiO₂的催化作用下，多硫化物的转化活性进一步提高，从而提高了电化学容量和循环稳定性。

得益于上述材料设计策略，MXene-TiO₂@rGO-S正极材料的混合Mg/Li-S电池在0.2 C (1 C = 1675 mAh g^-1)电流下循环200次仍具有1052 mAh g^-1的高可逆容量。同时，该电池具有良好的倍率能力以及出色的长期性能(2 C电流下循环1000次容量保持445.6 mAh g^-1)，这是迄今为止报道的MLSBs电池的最佳性能之一。

In Situ Built Nanoconfined TiO₂ Particles in Robust-Flexible MXene@rGO Conductive Framework Enabling High-Performance Hybrid Magnesium–Sulfur Batteries.

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202300417

余学斌，现任复旦大学材料科学系教授，博导。2004年获中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位。2005年1月至2006年12月、2007年3月至2008年3月分别在英国诺丁汉大学和伍伦贡大学从事博士后研究。2008年加入复旦大学，任材料科学系教授。主要研究方向包括纳米材料在能量存储和转换方面的设计和应用，包括可充电电池、氢存储和燃料电池。

张腾飞，现任南京航空航天大学特聘研究员，博导。2010年本科毕业于中南大学材料学院，2015年博士毕业于日本北海道大学。历任日本JSPS外国人研究员、广岛大学助理教授（特任），2018年回国并加入南京航空航天大学材料学院，主要研究方向包括复合金属氢化物全固态离子电池、Li-Mg-N体系固态储氢材料、透射电子显微镜技术。

课题组网站：https://hydrogenlab.fudan.edu.cn/yjcg_33313/list.htm

投稿请联系contact@scimaterials.cn