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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。

转自《石墨烯研究》公众号
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