兰州大学Shanglong Peng课题组--多维复合框架作为锂硫电池双功能催化改性隔膜，实现超快充电

可溶性多硫化锂（Lipss）在电极间的穿梭效应和反应动力学慢，导致锂硫电池效率极低，大电流循环稳定性差，限制了锂硫电池的商业化应用。本文提出了由碱处理的MXene纳米片和碳纳米管上添加CoS₂纳米颗粒的多维复合骨架作为Li-S电池的改性隔膜（MCCOS/PP）。实验和理论计算均表明，MCCOS/PP分离器具有双功能催化活性。它不仅能促进还原过程中的液固转化，而且能加速氧化过程中不溶性Li₂S的分解。此外，LIPSS穿梭效应在不降低锂离子迁移数的情况下得到了抑制。同时，MCCOS/PP分离器具有良好的LIPSS吸附能力，可引起活性物质的重新分配和固定，有利于倍率性能和循环稳定性。采用MCCOS/PP隔膜的锂硫电池在20C下的比容量为368.6 mAh g^-1,在7C下1000次循环中，每循环容量衰减仅为0.033%。此外，还实现了高面积容量(6.34 mAh cm^-2)、高硫负载(7.7 mg cm^-2)和低电解质/硫比(7.5μL mg^-1)。

Figure 1. (a) MX纳米片的TEM图像; (b-c) MX@CoS₂的TEM图像; (d-e) MX@CoS₂的HRTEM图像; (f) MX@CoS₂的SAED图案; (g-k) MX@CoS₂的HAADF-STEM图像以及相应EDS元素图。

Figure 2. (a-b) MX和MX@CoS₂的拉曼光谱和红外光谱; (c) MX@CoS₂的XPS光谱; MX和MX@CoS₂的(d) XPS Ti 2p光谱; MX@CoS₂的(e) XPS Co 2p和(f) XPS S 2p光谱。

Figure 3. (a) 通过Li || Li对称电池测试的PP、M/PP、MC/PP和MCCoS/PP隔膜的锂离子迁移数；(b) 电解槽右侧液体的紫外-可见吸收光谱; (c) 使用CP、MX/CP和MX@CoS₂/CP组装的对称电池的CV曲线; (d-e) Li₂S的沉积曲线; (f-g) Li₂S的溶解曲线; (h) CV曲线; (i)根据CV曲线的峰值2和峰值3计算的Tafel图; (j) Li₂S₄还原的活化能(Ea); (k)基于不同隔膜的锂硫电池充电曲线。

Figure 4. (a) Ti₃C₂O₂-CoS₂和Ti₃C₂O₂上LiPSs的吉布斯自由能分布；(b) LiPSs和Ti₃C₂O₂-CoS₂，Ti₃C₂O₂层之间的结合能；(c) CoS₂、Ti₃C₂O₂和Ti₃C₂O₂-CoS₂的态密度；(d) Ti₃C₂O₂-CoS₂的差分电荷密度；(e) Ti₃C₂O₂-CoS₂和Ti₃C₂O₂上Li₂S的解离能。

Figure 5. (a) 装备有不同隔膜的锂硫电池的倍率性能；(b) 基于MCCoS/PP隔膜的锂硫电池在不同电流密度下的恒电流充放电曲线；(c) 用作锂硫电池隔膜的MCCoS/PP与其它MX基材料的倍率性能比较；(d) 基于不同隔膜的锂硫电池在0.1 C下的循环性能；(e) 基于MCCoS/PP隔膜的锂硫电池在高硫负载和低电解质/硫比下的循环性能;(f) 基于MCCoS/PP隔膜的锂硫电池在7 C下的长循环性能;(g) 基于MCCoS/PP隔膜的锂硫电池与其他产品在长循环性能方面的比较。

相关研究工作由兰州大学Shanglong Peng课题组于2022年在线发表于《Nano-Micro Letters》期刊上，原文：Multi-Dimensional Composite Frame as Bifunctional Catalytic Medium for Ultra-Fast Charging Lithium-Sulfur Battery。