孙靖宇/杨瑞枝ACS Nano：普适性策略原位合成MOx-MXene异质结作为高体密3D打印锂硫电池宿主

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孙靖宇/杨瑞枝ACS Nano：普适性策略原位合成MOx-MXene异质结作为高体密3D打印锂硫电池宿主

邃瞳科学云

2020-11-17

文章信息

普适性策略原位合成MOx-MXene异质结作为高体密3D打印锂硫电池宿主

第一作者：魏超慧#，田萌#

通讯作者：孙靖宇*，杨瑞枝*

单位：苏州大学

研究背景

锂硫电池因其理论容量高，硫来源广泛，价格低廉等优势在储能领域备受关注。然而，获得高质量/高体积能量密度的锂硫电池并非易事。现今面临的主要问题有：硫电导率低、体积膨胀、穿梭效应，硫负载率低等。当前的主流解决策略是将功能化碳质框架(如分层多孔碳材料及其衍生物) 与S或Li2S相结合，以确保电极的导电性和长循环稳定性。

然而，大量使用多孔碳材料势必会增大电解液/硫(E/S)比率，增加电池总质量从而降低电池的质量比能量。另一方面，低密度碳的过量引入会显著降低电极材料的振实密度，从而降低锂硫电池的体积比能量。

综上，理想的硫宿主应至少具备以下特征：

1）优异的导电性保证电荷的快速传输；

2）稳定结构来促进离子传输和硫负载量；

3）充足的活性位点来实现多硫化物的锚定和Li2S的均匀形核；

4）较高的振实密度来提升电池的体积能量密度。获得这种多功能的高密度宿主需要合理的材料选择和设计。

MXene材料自诞生以来因其优异的导电性、可调的结构、丰富的表面官能团等特质而倍受关注。需要注意的是，其剥离制备通常涉及HF的使用，往往阻碍了其大规模的应用。与此同时，在刻蚀的过程中伴随表面金属氧化物的产生。本文另辟蹊径，利用LiF-HCl为刻蚀剂，在水热的条件下，一步反应实现了MAX相的成功刻蚀并对其表面微氧化，获得了MOx-MXene的异质结，进而作为多功能、高振实密度的锂硫电池宿主材料。

针对锂硫电池硫负载率低的问题，本工作使用3D打印技术实现梯度递增的硫负载量。3D打印助力获得多孔导电框架，相比于传统电极涂覆方法，可以实现反应过程中的电荷传输的加速、充放电过程中的体积膨胀的缓解、以及高硫负载下的电池性能的稳定提升。

导师专访

锂硫电池中硫和反应产物Li2S的绝缘性、可溶性多硫化锂（LiPSs）的穿梭、以及反应动力学缓慢、硫负载率低、体积能量密度低等瓶颈，阻碍了锂硫电池的商业化进程。

本工作报道了一种通用的原位制备MOx-MXene（M：Ti，V和Nb）异质结构的方法，可作为高体积密度和多功能硫宿主，同步实现对多硫化物吸附和转化，获得了高体密的锂硫电池；同时结合3D打印技术实现了较高硫负载量下的高面容量性能。

文章简介

近日，苏州大学能源学院孙靖宇教授与杨瑞枝教授合作，在ACS Nano 期刊上发表题为“Universal in Situ Crafted MOx‑MXene Heterostructures as Heavy and Multifunctional Hosts for 3D-Printed Li−S Batteries”的研究工作。

该工作提出了一种普适的一步反应方法，成功地制备了系列的MOx‑MXene (M: Ti, V, and Nb)异质结材料。合成的MOx‑MXene异质结作为锂硫电池的宿主，表现出良好的催化活性、较好的电化学稳定性和高硫负载能力。同时作者借助3D打印技术实现了高面容量的锂硫电池。

首先，使用了一种安全经济和通用的反应策略实现一步制得剥离态MOx-MXene异质结材料。通过合理设计得到的MOx-MXene异质结构，可以实现对多硫化锂锚定、Li离子迁移和电子转移的综合管理，从而实现多硫化锂平稳的催化转化过程。

其次，基于锂硫电池碳宿主振实密度低的情况，MOx-MXene异质结材料具有高振实密度，从而有助于获得了高体积能量密度的锂硫电池。

再次，报道了具有可调负载的3D打印硫正极。这种打印化的电池系统可以在高硫负载下具有良好的电化学性能。该方案有望为构建实用化锂硫电池提供可行的技术手段。

导师专访

针对以上问题和挑战，我们将致力于发展高振实密度的理想宿主材料以及柔性硫电极，探索贫锂贫电解液等工况条件下关键材料及体系设计。

第一作者专访

1. 该研究的设计思路和灵感来源

针对当下锂硫电池的体积能量密度较低的问题，需要寻求一种高体积密度并且催化性能优异的锂硫电池宿主。作者们关注到了导电性优异的层状材料MXene，该材料振实密度也相对较高。

2. 该实验难点有哪些？

本工作中获得MOx-MXene是MXene表面弱氧化之后的结果，在对此氧化物的精细表征方面花费了不少精力。

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

本工作报道了原位构筑的MOx-MXene异质结多功能硫宿主；使用了剥离态MXene作为宿主材料，提高了原料的利用率；实现了3D打印MXene构筑的高硫负载锂硫电池正极；关注了锂硫电池的体积能量密度性能的提升。

文章链接

Universal in Situ Crafted MOx‑MXene Heterostructures as Heavy and Multifunctional Hosts for 3D-Printed Li−S Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07999

通讯作者介绍

孙靖宇，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师。牛津大学博士。

九三学社社员，国家四青人才，江苏省双创人才。苏州大学——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”子课题主持人。英国皇家化学会Top 1%高被引作者。《科学通报》编委（材料科学方向）。2008年本科毕业于浙江大学竺可桢学院，2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展研究工作。2017年2月入职苏州大学能源学院，2018年受聘北京石墨烯研究院研究员，课题组长。主要从事石墨烯的化学气相沉积可控制备、烯碳基能源材料及印刷化器件研究。发展了低维碳材料直接生长的Direct-CVD技术，研究成果被Nature Mater.、中国科学报、科学网等亮点报道。近年来在国内外学术期刊上共发表研究论文120余篇，其中通讯作者/第一作者论文逾70篇包括Chem. Soc. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci.等，总引用5500余次。

杨瑞枝，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师

2005年于中国科学院物理研究所获理学博士学位；2005.9—2008.5，于加拿大达尔豪斯大学(Dalhousie University)作博士后研究；2008.6—2011.6，在美国斯坦福大学任职Research Associate；2011年6月至现在，于苏州大学任职教授。研究方向为：新型储能材料和器件的基础和应用研究。在相关研究领域发表SCI文章60余篇，论文引用5000余次，个人h-index为43。申请10多项中国专利和1项国际专利。主持国家科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省高校自然科学研究重大项目、江苏省自然科学基金等科研项目。现任中国硅酸盐学会固态离子学理事会理事、国际电化学能源科学院(IAOEES）的Board committee member。荣获2008年度加拿大青年科学家Ulm电化学论坛奖和2013年度“中国电化学青年奖”。

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