高载硫量Li-S电池： 基于MXene的正极结构设计与隔膜修饰

在此，我们基于MXene纳米片进行了电极材料和电池结构的综合设计，旨在实现高硫面负载的Li–S电池的稳定循环性能。将固有的带负电的MXene纳米片组装到正电荷修饰的科琴黑/硫(KB/S)颗粒上，以构建交织的KB/S@Ti₃C₂T_x复合材料。科琴黑提高了硫的电导率，Ti₃C₂T_x保障了对可溶性多硫化物的物理/化学吸附并进一步提高了电导率。更重要的是，自组装构成的二次粒子结构显著的维持了硫电极充放电时体积变化下的结构稳定性。通过类似的自组装方法制备的KB@Ti₃C₂T_x涂覆在商用隔膜上，以进一步阻碍可能从阴极逸出的多硫化物。KB@Ti₃C₂T_x中间层的面积载荷仅为0.28 mg cm^-2，厚度为3 μm，对厚电极的体积和质量影响不大，从而几乎不影响电池的能量密度。通过结合稳健的KB/S@Ti₃C₂T_x电极和有效的KB@Ti₃C₂T_x改性隔膜，我们获得了于相对较少的电解液下循环稳定的Li–S电池，具有相对较高的硫面负荷(5.6 mg cm^-2)和较高的面容量(6.4 mAh cm^-2)。

图3a为KB/S@Ti₃C₂T_x电极在0.2 C至2 C范围内各种倍率下的电压曲线。即使是在高倍率下，其仍能表现出明显的双电压平台。图3b表现出KB/S@Ti₃C₂T_x较优异的倍率性能。图3c表明KB/S@Ti₃C₂T_x电极比KB/S电极具有更好的电化学性能。0.2 C倍率下，100次循环后，KB/S@Ti₃C₂T_x电极的放电容量为812 mAh/g，而KB/S电极的放电容量仅为603 mAh/g。图3d为KB/S@Ti₃C₂T_x在0.5 C的长循环，显示了其在400个循环中的稳定。图3e显示了KB/S@Ti₃C₂T_x电极在硫负荷为4.5 mg cm^-2时的电化学性能。在前两个循环中，电池在0.05C下被激活，然后在0.2 C下长期循环。在0.05和0.2 C下的放电容量分别为920和655 mAh/g。100次循环后，容量保持551 mAh/g。与之形成鲜明对比的是，KB/S电池即使在较低的硫面负载(2.6 mg cm^-2)下也只能表现出较低的容量并迅速衰减。图3f为KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x电极的EIS测试，较低的电荷转移电阻表明KB/S@Ti₃C₂T_x电极中的硫氧化还原动力学得到了改善。

图3. (a)KB/S@Ti₃C₂T_x电极在0.2 C至2 C范围内各种倍率下的电压曲线。(b)KB/S@Ti₃C₂T_x电极的倍率性能。(c)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x电极在0.2 C下的循环性能。(d)KB/S@Ti₃C₂T_x电极在0.5 C的长循环。(e)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x电极在硫负载分别为2.6 mg cm^-2和4.5 mg cm^-2时，0.2C倍率下的循环性能。(f)KB/S和KB/S@Ti₃C₂T_x电极的奈奎斯特图。

图5显示了KB@Ti₃C₂T_x改性隔膜对Li–S电池电化学性能的影响。在具有和不具有改性隔板的情况下，基于KB/S@Ti₃C₂T_x电极的电池之间进行了比较。图5a 循环伏安法(CV)测量表明KB@Ti₃C₂T_x涂层隔膜可增加阴极峰值电流。中间层中的MXene会在充电/放电过程中抑制多硫化物的逸出，并为活性材料提供额外的反应位点，从而获得额外的电子流。图5b的电压曲线证明了KB@Ti₃C₂T_x修饰隔膜可显著提高电池的比容量，同时也变现出更佳的倍率性能(图5c)。图5d显示了带有KB@Ti₃C₂T_x修饰隔膜的电池在1 C时也具有更好的循环性能。该电池的初始放电容量为880 mAh/g，在400个循环后仍保持629 mAh/g的相当大的容量，相当于每个循环衰减0.071％。相应地，在图5e中绘制了高硫载量时的面积容量和比容量。其放电容量在0.05 C下为1137 mA h/g，在0.2 C下为810 mAh/g，相应的面容量分别为6.4 mAh cm^-2和4.5 mAh cm^-2。100次循环后，电池仍可提供约600 mAh/g的容量。