西交利物浦大學(xué)楊莉、宋鵬飛課題組對(duì)MXene基材料在鋰硫電池正極上的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。在鋰硫電池領(lǐng)域，MXene材料因自身同時(shí)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較強(qiáng)的多硫化物捕捉能力，受到研究者們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
圖1 MXene基材料在鋰硫電池正極和中間層上的應(yīng)用 鋰硫電池（lithium-sulfur batteries），簡(jiǎn)稱Li-S batteries，因具有1675 mAh·g-1的高比容量成為最具潛力的儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。然而，它的商業(yè)化應(yīng)用主要受限于三大缺點(diǎn)，單質(zhì)硫的絕緣特性，充放電中的體積膨脹和“穿梭效應(yīng)”造成的容量快速衰減。 從2011年起，一系列過(guò)渡金屬碳/氮化物(如Ti3C2)衍生的二維層狀材料被學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，被稱為MXene，它們由MAX相刻蝕而來(lái)。其同時(shí)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較強(qiáng)的多硫化物捕捉能力隨后被應(yīng)用在鋰硫電池中。此外，它的高比表面積、豐富的官能團(tuán)和可調(diào)節(jié)性有利于在制備與硫復(fù)合電極時(shí)進(jìn)行不同改性設(shè)計(jì)。不同的刻蝕方法例如氫氟酸刻蝕、堿刻蝕、電化學(xué)刻蝕、融鹽刻蝕得到的MXene性質(zhì)又有不同。這些都有利于學(xué)者們更好地發(fā)揮創(chuàng)造力，制備出能大幅度提升鋰硫電池性能的材料。 對(duì)于鋰硫正極材料，首先純MXene材料在經(jīng)過(guò)熔融法生長(zhǎng)硫后，得到了MXene/硫復(fù)合電極，其在200 mA·g-1較小電流小獲得了1300 mAh·g-1比容量。緊接著，不同修飾的MXene材料被大量用于與硫復(fù)合組成電極。生長(zhǎng)硫的方法也多樣化，除了傳統(tǒng)物理熔融法，更有利用MXene官能團(tuán)多的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)化學(xué)鍵合法的生長(zhǎng)。相比于純MXene，其電池性能有較大的提升。在1C大電流下，仍能獲得900 mAh·g-1且500次循環(huán)后保持率超過(guò)80%，并且有大于8 cm·mg-2高載硫量電極被制備出來(lái)。由于MXene自身容易堆疊的特點(diǎn)，MXene在實(shí)際使用者比表面積遠(yuǎn)低于理論值，這會(huì)大大削弱MXene的性能優(yōu)勢(shì)。所以研究者們?cè)贛Xene材料之間混合各種材料，例如石墨烯、碳納米籠等，一方面防止MXene的堆疊，另一方面將二維MXene構(gòu)建成三維立體的結(jié)構(gòu)。再與硫復(fù)合，在最終的復(fù)合電極中，獲得硫更高的利用率?？梢灾苽涑龀^(guò)10 cm·mg-2載硫量以上穩(wěn)定循環(huán)的高性能電極。與此同時(shí)，這些MXene基材料也被用在鋰硫正極中間層中，獲得了類似性能提升的效果。其發(fā)展也是從簡(jiǎn)單的純MXene薄膜作為中間層，到修飾的MXene，以及MXene與其他材料復(fù)合的應(yīng)用。 總之，MXene在鋰硫電池中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，但是對(duì)機(jī)理方面的研究仍然較少，特別是MXene對(duì)多硫化物的吸附和催化多硫化物轉(zhuǎn)化方面。這是由于中間產(chǎn)物復(fù)雜造成的，不過(guò)也是學(xué)者們未來(lái)可以突破的一個(gè)方向。隨著研究對(duì)MXene表面修飾調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，相信未來(lái)MXene基材料更大規(guī)模的應(yīng)用。 論文信息 Application of MXene-Based Materials for Cathode in Lithium-Sulfur Batteries Dr. Xianwei Geng, Prof. Li Yang, Prof. Pengfei Song Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202303451
