Adv.EnergyMater.:含氮的褶皱状MXene在锂硫电池上的应用研究|og东方

发布时间:2021-04-07  栏目:科技  评论:Adv.EnergyMater.:含氮的褶皱状MXene在锂硫电池上的应用研究|og东方已关闭评论

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【og东方】【章节】随着便携式电子设备的市场需求日益减少,电气车辆、智能电网等开始普遍使用具备轻盈、功率大、使用寿命宽和可再生的充电电池。锂硫电池由于其较高的理论能量密度(≈2567Whkg-1),更有了很多研究者。

由于自然界中S具备含量低、价格低廉和环境友好型的特点,因此Li-S电池是目前最有前景的可充电电池之一。但是Li-S电池还有许多难题必须解决问题,例如:固硫技术仍必须研究,循环过程中的体积收缩问题还没几乎解决问题,凝硫化物的沉淀问题尚待更进一步探寻。

其中,多硫化物来回效应的诱导是妨碍锂硫发展的主要挑战电池。目前研究找到,多孔碳材料具备很好的固硫效果,提升硫的导电性,减少凝硫化物的沉淀,提升锂硫电池中硫化物的来回效应,容量波动量减少。其中,MXene材料的理想结构可以制取成多孔结构,提升其固硫效果。本文首次制取了褶皱状N-Ti3C2Tx/S复合材料制取锂硫电池。

【成果概述】近日,中科院过程工程所王丹教授和悉尼大学王国秀(音译)教授(通讯作者)等人,报导了含氮的褶皱状MXene纳米片具备很强的物理性能和凝硫化物的化学共吸附起到。这种材料可以使用新的一步法制备,可以作为载有硫主体应用于到锂硫电池上。其杂质氮原子的引进需要使MXene纳米片上加到杂质原子,造成材料上孔结构激增,表面积减小,孔体积减小。

掺氮MXene材料所含很强的物理性能和双重聚硫的起到,其低硫负载量超过了5.1mgcm–2。在锂硫电池上,含氮的褶皱状MXene纳米片/硫复合材料所含很好的电池性能,例如:在0.2C的电流密度下,共轭循环容量超过1144mAhg-1;在2C的电流密度下,循环10og东方00圈后,其容量仍平均610mAhg-1。

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涉及成果以“FacileSynthesisofCrumpledNitrogen-DopedMXeneNanosheetsasaNewSulfurHostforLithium–SulfurBatteries”为题公开发表在AdvancedEnergyMaterials上。【图文简介】图1褶皱状N-Ti3C2Tx/S复合材料的制备示意图褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的制备示意图。

图2褶皱状N-Ti3C2Tx/S复合材料的显微结构及EDS密切相关(a)和(b)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片的FESEM图像;(c)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片的HRTEM图像;(d)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片的SAED图像;(e)和(f)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的FESEM图像;(g)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的HRTEM图像;(h)单层N-Ti3C2Tx/S的原子示意图;(i)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的HRTEM图像;(j)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的HRTEM-EDS图谱;(k)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的HRTEM图像和EDS图谱。图3褶皱状N-Ti3C2Tx和N-Ti3C2Tx/S纳米片的结构及价态图(a)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片的N2干导电曲线(放入图是其孔径分布图);(b)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片和光刻Ti3C2Tx样品的FTIR图谱;(c)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片、褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片和单质S的XRD图谱;(d)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片的厚度剖面及AFM图像;(e)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的TGA曲线图;(f)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片中Ti2p的XPS图谱;(g)褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片中N1s的XPS图谱;(h)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片中S1s的XPS图谱;(i)褶皱状N-Ti3C2Tx/S纳米片的中Ti2p的XPS图谱。图4褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx材料的电池性能(a)在电流密度为0.1mVs-1下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S的锂硫全电池前三圈的CV曲线图;(b)在电流密度为0.2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx材料的第1圈、第100圈、第200圈的充放电曲线图(1C=1673mAg-1);(c)在电流密度为0.2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx材料的循环图(200圈);(d)在电流密度为2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx材料的循环图(1000圈)。

图5褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx电池的倍率及循环性能(a)在电流密度为0.2-2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx电池的倍率图;(b)在电流密度为0.2-2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S电池的充放电曲线图;(c)在电流密度为0.2C下,褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx材料的循环图(500圈)。图6N-Ti3C2Tx/S电极材料的XPS研究(a)褶皱状N-Ti3C2Tx/S电极材料静电到2V时,其Li1s的XPS图谱;(b)褶皱状N-Ti3C2Tx/S电极材料静电到2V时,其N1s的XPS图谱;(c)加到褶皱状N-Ti3C2Tx/S和mixed-Ti3C2Tx前后,Li2S6溶液的紫外/可见吸收光谱(放入图是重新加入前和重新加入4h后的光学照片)。

【小结】本文首次使用带上负电的Ti3C2Tx片和带上正电的三聚氰胺热处理后,通过静电自装配制取顺利制取了褶皱状N-Ti3C2Tx纳米片材料。热处理后,氮原子顺利掺入到Ti3C2Tx材料。

物理性能研究找到,N掺入的MXene纳米片具备较多的孔结构,较高比表面积和独有的化学导电性质,是一种锂硫电池获取硫的理想结构。褶皱状N-Ti3C2Tx/S混合电极具备很好的循环性能,例如:在流流密度为0.2C下,共轭容量超过1144mAhg-1;其循环200圈后,容量仍可以维持在950mAhg-1;在电流密度为2C下,1000圈的共轭容量超过610mAhg-1;S的负载量为5.1mgcm-2时,在电流密度为2C下,500圈的共轭容量超过588mAhg-1。

这种材料出色的电化学性能的原因是多孔的结构需要妨碍凝硫化物的沉淀,并且增加硫含量损失。同时,N掺入到MXene中,构成N-Ti3C2Tx/S混合材料,需要提升材料的电化学活性、化学导电能力。本文关于掺入N材料的一步制备方法具备普适性,对于其他掺入N的固硫材料具备糅合意义。

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