失乐园在线观看 I 日韩精品久久一区二区三区 I 国产福利影视 I 17婷婷久久www I 91青青草视频 I 国产激情一区 I sm成人免费看www软件 I 懂色av网站 I 国模私拍视频一区 I 91视频完整版 I 国产 中文 字幕 日韩 在线 I 欧美tv xtime I 国产偷在线 I 97超频在线观看 I 国产馆在线播放 I 成人av在线网站 I 99热香蕉 I 伊人色综合久久天天人手人婷

研究背景

面對便攜式電子設備，電動汽車以及可再生能源不斷增長的需求，迫切需要開發具有低成本、高能量密度和長使用壽命的儲能設備。技術分析表明當Li-S電池面能量密度達到4 mAh cm^-2時可與當下最新的Li-ion電池技術相競爭從而體現出其高能量密度的優勢，然而高載量下的厚硫電極面臨體積膨脹、動力學慢和循環性能差的挑戰。本工作基于對多硫化物具有強吸附作用且具有高電導率的MXene材料，從正極結構設計以及隔膜修飾兩方面綜合設計一種可容納大量硫、有效截留多硫化物并在循環中維持高效離子和電子傳導的材料結構，旨在構建高硫載量下穩定循環的Li-S電池。

Comprehensive Design of the High Sulfur-Loading Li-S Battery Based on MXene Nanosheets

Shouzheng Zhang^1,3‡, Ning Zhong^2‡, Xing Zhou², Mingjie Zhang², Xiangping Huang³, Xuelin Yang^1*, Ruijin Meng², Xiao Liang^2*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:112

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00449-7

本文亮點

1. 將帶負電的MXene納米片與正電荷修飾的科琴黑/硫(KB/S)或KB進行靜電自組裝，以構建交織結構的復合材料。

2. 所設計的KB/S@Ti₃C₂T_x結構構架允許高硫負載并適應其相應的體積變化，在維持結構完整性的同時維持良好的離子和電子運輸能力。

3. KB@Ti₃C₂T_x中間層進一步抑制了從硫正極逸出的多硫化物。此外它的面密度僅為0.28 mg cm^-2，厚度僅為3 μm，對電池能量密度的影響極小。

內容簡介

三峽大學材料與化工學院楊學林團隊與湖南大學化學化工學院梁宵團隊共同合作，基于梁宵教授對MXene材料在鋰硫電池的開發應用基礎上，以科琴黑(KB)輔助材料構造骨架，交織包裹MXene納米片，通過靜電自組裝制備具有交織結構的KB/S@Ti₃C₂T_x復合正極材料和KB@Ti₃C₂T_x復合材料分別用于構造穩健的硫正極以及中間層修飾隔膜。該綜合設計可在高硫載量下維持厚電極的穩定性，顯著抑制多硫化物逸出電極避免造成電極結構的坍塌并且修飾后的隔膜更進一步的阻礙多硫化物的穿梭效應，從而表現出優良的電化學性能。

在此，我們基于MXene納米片進行了電極材料和電池結構的綜合設計，旨在實現高硫面負載的Li–S電池的穩定循環性能。將固有的帶負電的MXene納米片組裝到正電荷修飾的科琴黑/硫(KB/S)顆粒上，以構建交織的KB/S@Ti₃C₂T_x復合材料。科琴黑提高了硫的電導率，Ti₃C₂T_x保障了對可溶性多硫化物的物理/化學吸附并進一步提高了電導率。更重要的是，自組裝構成的二次粒子結構顯著的維持了硫電極充放電時體積變化下的結構穩定性。通過類似的自組裝方法制備的KB@Ti₃C₂T_x涂覆在商用隔膜上，以進一步阻礙可能從陰極逸出的多硫化物。KB@Ti₃C₂T_x中間層的面積載荷僅為0.28 mg cm^-2，厚度為3 μm，對厚電極的體積和質量影響不大，從而幾乎不影響電池的能量密度。通過結合穩健的KB/S@Ti₃C₂T_x電極和有效的KB@Ti₃C₂T_x改性隔膜，我們獲得了于相對較少的電解液下循環穩定的Li–S電池，具有相對較高的硫面負荷(5.6 mg cm^-2)和較高的面容量(6.4 mAh cm^-2)。

圖文導讀

I KB/S@Ti₃C₂T_x電極材料與KB@Ti₃C₂T_x涂層材料的制備

圖1a是KB/S@Ti₃C₂T_x電極材料的制備流程示意圖。選擇LiF/HCl混合溶液為刻蝕劑剝離制備單層Ti₃C₂T_x納米片。用PEI修飾載硫后的KB/S材料使其帶有正電荷，通過正負電荷相互作用力使得固有的帶負電的Ti₃C₂T_x納米片與KB/S自組裝構成二次粒子，該復合材料以KB/S為核，Ti₃C₂T_x納米片層層包裹，具有交織的構造。圖1b表征了各個材料的ZETA電位，證明了靜電自組裝成功進行。正電荷修飾后的材料KB/S-PEI和自帶負電荷的Ti₃C₂T_x納米片在水中分散性極好，當兩者混合后由于靜電作用進行自組裝從而沉降。KB@Ti₃C₂T_x涂層材料的制備方法類似。圖1d、e和圖1f、g分別為KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x的SEM圖像，可以明顯的看出Ti₃C₂T_x納米片被均勻的組裝到KB/S上構成10 μm左右的二次粒子。

圖1. (a)KB/S@Ti₃C₂T_x復合材料的制造示意圖。(b)Ti₃C₂T_x納米片，KB/S-PEI和KB/S@Ti₃C₂T_x的Zeta電位。(c)KB/S-PEI，Ti₃C₂T_x和KB/S@Ti₃C₂T_x水懸浮液的數碼照片。KB/S(d，e)和KB/S@Ti₃C₂T_x(f，h)的SEM圖像。

II KB/S@Ti₃C₂T_x電極材料的電化學性能和抗體積變化能力

我們通過SEM表征系統地評估了KB/S@Ti₃C₂T_x和KB/S電極在循環過程中電極結構的變化。如圖2a，c所示，KB/S@Ti₃C₂T_x電極和KB/S電極在未循環時電極材料都是緊密互連的，但經過10圈循環后，KB/S電極上表面發生了明顯的損壞和裂紋(圖2d)，而KB/S@Ti₃C₂T_x電極則并未檢測到電極發生明顯的破壞(圖2b)。橫截面SEM圖像表現出更多有關電極結構穩定性的詳細信息。在循環之前，兩個電極的厚度相同。KB/S@Ti₃C₂T_x電極緊密連接的顆粒略微膨脹約為18％(圖2e，f)，而KB/S電極在充電時坍塌，并在電極中留下裂紋和孔洞(圖2g，h)。我們假設多硫化物溶解是KB/S電極坍塌的原因，導致活性物質損失并在電極中留下孔洞。這種差異說明KB/S@Ti₃C₂T_x復合材料具有將活性物質保持在電極中的能力，同時二次粒子的結構可適應循環中的體積變化，從而有效地維持了電極的完整性。

圖2. 通過SEM圖像對比兩種硫電極(a)未循環的KB/S@Ti₃C₂T_x電極，(b)10個循環后的KB/S@Ti₃C₂T_x電極，(c)未循環的KB/S電極，(d)10個循環后的KB/S電極SEM圖像。KB/S@Ti₃C₂T_x電極在循環之前(e)和10個循環之后(f)的橫截面SEM圖像，(g)未循環的KB/S電極和(h)KB/S電極10個循環之后的橫截面SEM圖像。

圖3a為KB/S@Ti₃C₂T_x電極在0.2 C至2 C范圍內各種倍率下的電壓曲線。即使是在高倍率下，其仍能表現出明顯的雙電壓平臺。圖3b表現出KB/S@Ti₃C₂T_x較優異的倍率性能。圖3c表明KB/S@Ti₃C₂T_x電極比KB/S電極具有更好的電化學性能。0.2 C倍率下，100次循環后，KB/S@Ti₃C₂T_x電極的放電容量為812 mAh/g，而KB/S電極的放電容量僅為603 mAh/g。圖3d為KB/S@Ti₃C₂T_x在0.5 C的長循環，顯示了其在400個循環中的穩定。圖3e顯示了KB/S@Ti₃C₂T_x電極在硫負荷為4.5 mg cm^-2時的電化學性能。在前兩個循環中，電池在0.05C下被激活，然后在0.2 C下長期循環。在0.05和0.2 C下的放電容量分別為920和655 mAh/g。100次循環后，容量保持551 mAh/g。與之形成鮮明對比的是，KB/S電池即使在較低的硫面負載(2.6 mg cm^-2)下也只能表現出較低的容量并迅速衰減。圖3f為KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x電極的EIS測試，較低的電荷轉移電阻表明KB/S@Ti₃C₂T_x電極中的硫氧化還原動力學得到了改善。

圖3. (a)KB/S@Ti₃C₂T_x電極在0.2 C至2 C范圍內各種倍率下的電壓曲線。(b)KB/S@Ti₃C₂T_x電極的倍率性能。(c)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x電極在0.2 C下的循環性能。(d)KB/S@Ti₃C₂T_x電極在0.5 C的長循環。(e)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x電極在硫負載分別為2.6 mg cm^-2和4.5 mg cm^-2時，0.2C倍率下的循環性能。(f)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x電極的奈奎斯特圖。

III KB@Ti₃C₂T_x涂層進一步提高硫的利用率

在隔膜和正極之間插入中間層是進一步阻礙多硫化物穿梭的有效的方法。圖4a SEM圖片顯示KB@Ti₃C₂T_x復合材料是由MXene基體和均勻分布的KB構成的。具有交織結構的KB@Ti₃C₂T_x復合材料表面積的增加保證了其充分的暴露出活性位點。用刮刀將復合材料涂覆到隔膜上。圖4b的SEM圖像顯示KB/S@Ti₃C₂T_x顆粒被均勻地涂覆在隔膜的表面。KB@Ti₃C₂T_x的面負載約為0.28 mg cm^-2，厚度約為3 μm，僅占硫電極厚度的3％(圖4c)。KB@Ti₃C₂T_x中間層比大多數報道的中間層薄得多，太薄而無法顯著影響Li-S電池的體積/重量能量密度。制備好的KB@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜可保持出色的柔韌性和機械強度，如圖4d折疊形狀時沒有開裂脫落的現象。為了驗證KB@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜具有抑制多硫化物穿梭的能力，組裝了可視H型玻璃電池。圖3e顯示多硫化物迅速擴散穿過未改性的隔膜，4小時內右側容器中的溶液從無色變為淺黃色，表明多硫化物的擴散不受控制。與之形成鮮明對比的是，帶有KB@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜的H型電池8小時后右側容器中的溶液僅開始變成淺黃色。

圖4. (a)KB/S@Ti₃C₂T_x的SEM圖像。(b)KB/S@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜的SEM圖像。(c)KB/S@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜的SEM截面圖。(d)KB/S@Ti₃C₂T_x涂層修飾隔膜的照片。(e)使用未改性PP隔膜和KB/S@Ti₃C₂T_x涂層修飾后隔膜測量多硫化物的滲透。

圖5顯示了KB@Ti₃C₂T_x改性隔膜對Li–S電池電化學性能的影響。在具有和不具有改性隔板的情況下，基于KB/S@Ti₃C₂T_x電極的電池之間進行了比較。圖5a 循環伏安法(CV)測量表明KB@Ti₃C₂T_x涂層隔膜可增加陰極峰值電流。中間層中的MXene會在充電/放電過程中抑制多硫化物的逸出，并為活性材料提供額外的反應位點，從而獲得額外的電子流。圖5b的電壓曲線證明了KB@Ti₃C₂T_x修飾隔膜可顯著提高電池的比容量，同時也變現出更佳的倍率性能(圖5c)。圖5d顯示了帶有KB@Ti₃C₂T_x修飾隔膜的電池在1 C時也具有更好的循環性能。該電池的初始放電容量為880 mAh/g，在400個循環后仍保持629 mAh/g的相當大的容量，相當于每個循環衰減0.071％。相應地，在圖5e中繪制了高硫載量時的面積容量和比容量。其放電容量在0.05 C下為1137 mA h/g，在0.2 C下為810 mAh/g，相應的面容量分別為6.4 mAh cm^-2和4.5 mAh cm^-2。100次循環后，電池仍可提供約600 mAh/g的容量。

圖5. (a)具有未改性隔膜和KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x電極的CV曲線，以及具有KB@Ti₃C₂T_x修飾后隔膜的KB/S@Ti₃C₂T_x電極的CV曲線。帶有KB@Ti₃C₂T_x修飾后隔膜的KB/S@Ti₃C₂T_x電池的(b)電壓曲線，倍率為0.2 C至2C，及(c)倍率性能。(d)帶有KB@Ti₃C₂T_x修飾隔膜的KB/S@Ti₃C₂T_x電極在1 C下的長循環性能及(e)在0.2 C下，5.6 mg cm^-2時高硫負載下的循環性能。

本信息源自互聯網僅供學術交流 如有侵權請聯系我們立即刪除