河南师范大学&华东理工大学CEJ：高活性交联网络助力高性能锂硫电池- 大数跨境

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河南师范大学&华东理工大学CEJ：高活性交联网络助力高性能锂硫电池

科学材料站

2021-12-22

导读：本文通过离子液体引发二维MXene纳米片交联，设计合成了一种新型的Sb、N共嵌入碳交联PoMXene三维网络材料Sb-NC/PoMXene

研究背景

锂硫电池由于其理论能量密度高(≈2600 Wh kg^-1)，经济效益好和环境友好等特点，被视为下一代电源的理想选择。然而，由于活性物质硫的电导率低、体积效应(~80%)和可溶性多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应，导致电池存在硫利用率低、动力学迟缓、容量衰减快等问题。开发具有高电导率、高载硫能力、能捕获LiPSs并催化其快速转化的正极硫载体材料是改善上述问题，实现高性能锂硫电池的有效途径。

二维Ti₃C₂T_x MXenes具有金属导电性、较大的表面积和表面官能团可调控性，被证明可以作为LiPSs的电催化剂，特别是部分氧化的Ti₃C₂T_x MXenes（PoMXene）更提高了对LiPSs的吸附能力，从而能够有效抑制穿梭效应。但是，二维材料的堆叠问题致使活性面积大大降低。通过合理的结构设计，在不引入非活性物质的基础上，构建具有大比表面积且结构稳固的硫载体材料对于充分发挥电池性能至关重要。

研究背景

基于此，河南师范大学的王海燕博士/张虎成教授/王键吉教授与华东理工大学江浩教授/李春忠教授合作，通过离子液体引发二维MXene纳米片交联，设计合成了一种新型的Sb、N共嵌入碳（Sb-NC）交联PoMXene三维网络材料Sb-NC/PoMXene，并将其与硫复合用于锂硫电池正极。

Sb-NC/PoMXene结构提供了快速的离子/电子传输通道和稳固的三维网络，从而能够缓解体积效应并提高活性物质硫的利用率。更重要的是结构中Sb纳米粒子、N原子、TiO2和Ti3C2Tx组装成相互交错的高活性表面为LiPSs提供了丰富的吸附和催化活性位点，从而有效地抑制多硫穿梭，改善了锂硫电池的性能。

相关研究成果以“Fully-active crosslinking network derived from ionic liquid and MXene to efficiently immobilize polysulfides and promote redox reactions”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

图文信息

图1.(a) Sb-NC/PoMXene材料的制备过程示意图。(b) Ti3C2Tx MXene、IL/MXene和Sb-NC/PoMXene的红外光谱。(c) Ti3C2Tx MXene、PoMXene和Sb-NC/PoMXene 的XRD谱图

图2. (a, b) Sb-NC/PoMXene的SEM图，(c) TEM图， (d, e) 高分辨率TEM图，(f-k) HAADF-STEM图和EDS元素分布

图3. (a) Ti3C2Tx MXene、PoMXene和Sb-NC/PoMXene的N2吸脱附等温线；插图：孔径分布图。(b) PoMXene和Sb-NC/PoMXene的Ti 2p XPS谱。(c) 碳化IL和Sb-NC /PoMXene的Sb 3d XPS光谱。(d) Sb-NC/PoMXene的N 1s XPS光谱

图4. (a)不同样品在Li2S6/DOL/DME溶液中搁置24 h后的光学照片。Sb-NC/PoMXene吸附Li2S6后的(b) Li 1s， (c) S 1s， (d) Ti 2p和(e) Sb 3d XPS光谱。(f) Sb-NC/PoMXene对多硫化锂的调控示意图

图5. (a) 不同样品组装的对称电池CV曲线。(b) 0.1 C时的恒流充放电曲线。(C)不同电流密度下正向和负向扫描的电势差。Ti3C2Tx/S、PoMXene/S、Sb/PoMXene/S、NC/PoMXene/S和Sb-NC/PoMXene/S正极的 (d) 倍率性能和(e) 0.2 C时的循环性能。(f) Sb-NC/PoMXene/S正极在2 C下的长循环性能。(1 C = 1675 mA g-1)

图6. (a) Sb-NC/PoMXene/S厚正极在0.2 C下的循环性能。(b) 与其它报道的MXene基硫载体的性能比较。(c, d) Sb-NC/PoMXene/S正极在0.2C下循环100次后的SEM图像

结论

研究者将Ti3C2Tx MXene与1-丁基-3-甲基-咪唑六氟锑酸盐混合组装形成水凝胶，通过简单的煅烧过程，构建了由Sb-NC交联PoMXene形成Sb-NC/PoMXene三维网络结构，与硫复合后应用于锂硫电池时表现出了优异的电化学性能。

优异的性能得益于：

（1）PoMXene极性骨架对LiPSs产生化学吸附作用，抑制其溶解，同时保持MXene的高电导率，促进了快速的电子传输。

（2）离子液体衍生Sb-NC材料作为交联位点通过Ti-O-Sb键的形成增强了相邻MXene纳米片间的相互作用，从而得以缓解充放电过程的体积变化并保持电极结构的完整。另外，Sb-NC对LiPSs的转化反应也表现出催化作用。

（3）Sb-NC/PoMXene分级多孔结构不仅提高了传质能力也对LiPSs起到了物理限域作用。

（4）所构建的高活性硫载体为LiPSs提供了丰富的捕捉和催化活性位点以及连续的离子扩散路径，通过平衡吸附能与转化反应动力学之间的关系，有效地抑制了穿梭效应。因此，通过各组分协同实现了高比容量、优异倍率性能和长循环寿命的锂硫电池。

Haiyan Wang, Lijing Wang, Hucheng Zhang,* Hao Jiang, Chunzhong Li, Jianji Wang,* Fully-active crosslinking network derived from ionic liquid and MXene to efficiently immobilize polysulfides and promote redox reactions, Chemical Engineering Journal, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134179