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蘭州大學Shanglong Peng課題組--多維復合框架作為鋰硫電池雙功能催化改性隔膜,實現超快充電
       可溶性多硫化鋰(Lipss)在電極間的穿梭效應和反應動力學慢,導致鋰硫電池效率極低,大電流循環穩定性差,限制了鋰硫電池的商業化應用。 本文提出了由堿處理的MXene納米片和碳納米管上添加CoS2納米顆粒的多維復合骨架作為Li-S電池的改性隔膜(MCCOS/PP)。 實驗和理論計算均表明,MCCOS/PP分離器具有雙功能催化活性。 它不僅能促進還原過程中的液固轉化,而且能加速氧化過程中不溶性Li2S的分解。 此外,LIPSS穿梭效應在不降低鋰離子遷移數的情況下得到了抑制。 同時,MCCOS/PP分離器具有良好的LIPSS吸附能力,可引起活性物質的重新分配和固定,有利于倍率性能和循環穩定性。 采用MCCOS/PP隔膜的鋰硫電池在20C下的比容量為368.6 mAh g-1,在7C下1000次循環中,每循環容量衰減僅為0.033%。 此外,還實現了高面積容量(6.34 mAh cm-2)、高硫負載(7.7 mg cm-2)和低電解質/硫比(7.5μL mg-1)。
 
Figure 1. (a) MX納米片的TEM圖像; (b-c) MX@CoS?的TEM圖像; (d-e) MX@CoS?的HRTEM圖像; (f) MX@CoS?的SAED圖案; (g-k) MX@CoS?的HAADF-STEM圖像以及相應EDS元素圖。
 
Figure 2. (a-b) MX和MX@CoS?的拉曼光譜和紅外光譜; (c) MX@CoS?的XPS光譜; MX和MX@CoS?的(d) XPS Ti 2p光譜; MX@CoS?的(e) XPS Co 2p和(f) XPS S 2p光譜。
 
Figure 3. (a) 通過Li || Li對稱電池測試的PP、M/PP、MC/PP和MCCoS/PP隔膜的鋰離子遷移數;(b) 電解槽右側液體的紫外-可見吸收光譜; (c) 使用CP、MX/CP和MX@CoS?/CP組裝的對稱電池的CV曲線; (d-e) Li?S的沉積曲線; (f-g) Li?S的溶解曲線; (h) CV曲線; (i)根據CV曲線的峰值2和峰值3計算的Tafel圖; (j) Li?S?還原的活化能(Ea); (k)基于不同隔膜的鋰硫電池充電曲線。
 
Figure 4. (a) Ti?C?O?-CoS?和Ti?C?O?上LiPSs的吉布斯自由能分布;(b) LiPSs和Ti?C?O?-CoS?,Ti?C?O?層之間的結合能;(c) CoS?、Ti?C?O?和Ti?C?O?-CoS?的態密度;(d) Ti?C?O?-CoS?的差分電荷密度;(e) Ti?C?O?-CoS?和Ti?C?O?上Li?S的解離能。
 
Figure 5. (a) 裝備有不同隔膜的鋰硫電池的倍率性能;(b) 基于MCCoS/PP隔膜的鋰硫電池在不同電流密度下的恒電流充放電曲線;(c) 用作鋰硫電池隔膜的MCCoS/PP與其它MX基材料的倍率性能比較;(d) 基于不同隔膜的鋰硫電池在0.1 C下的循環性能;(e) 基于MCCoS/PP隔膜的鋰硫電池在高硫負載和低電解質/硫比下的循環性能;(f) 基于MCCoS/PP隔膜的鋰硫電池在7 C下的長循環性能;(g) 基于MCCoS/PP隔膜的鋰硫電池與其他產品在長循環性能方面的比較。
 
       相關研究工作由蘭州大學Shanglong Peng課題組于2022年在線發表于《Nano-Micro Letters》期刊上,原文:Multi-Dimensional Composite Frame as Bifunctional Catalytic Medium for Ultra-Fast Charging Lithium-Sulfur Battery。

轉自《石墨烯研究》公眾號
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