Comprehensive Design of the High Sulfur-Loading Li-S Battery Based on MXene NanosheetsShouzheng Zhang1,3‡, Ning Zhong2‡, Xing Zhou2, Mingjie Zhang2, Xiangping Huang3, Xuelin Yang1*, Ruijin Meng2, Xiao Liang2*
II KB/S@Ti3C2Tx电极材料的电化学性能和抗体积变化能力我们通过SEM表征系统地评估了KB/S@Ti3C2Tx和KB/S电极在循环过程中电极结构的变化。如图2a,c所示,KB/S@Ti3C2Tx电极和KB/S电极在未循环时电极材料都是紧密互连的,但经过10圈循环后,KB/S电极上表面发生了明显的损坏和裂纹(图2d),而KB/S@Ti3C2Tx电极则并未检测到电极发生明显的破坏(图2b)。横截面SEM图像表现出更多有关电极结构稳定性的详细信息。在循环之前,两个电极的厚度相同。KB/S@Ti3C2Tx电极紧密连接的颗粒略微膨胀约为18%(图2e,f),而KB/S电极在充电时坍塌,并在电极中留下裂纹和孔洞(图2g,h)。我们假设多硫化物溶解是KB/S电极坍塌的原因,导致活性物质损失并在电极中留下孔洞。这种差异说明 KB/S@Ti3C2Tx复合材料具有将活性物质保持在电极中的能力,同时二次粒子的结构可适应循环中的体积变化,从而有效地维持了电极的完整性。图2. 通过SEM图像对比两种硫电极(a)未循环的KB/S@Ti3C2Tx电极,(b)10个循环后的KB/S@Ti3C2Tx电极,(c)未循环的KB/S电极,(d)10个循环后的KB/S电极SEM图像。KB/S@Ti3C2Tx电极在循环之前(e)和10个循环之后(f)的横截面SEM图像,(g)未循环的KB/S电极和(h)KB/S电极10个循环之后的横截面SEM图像。
III KB@Ti3C2Tx涂层进一步提高硫的利用率在隔膜和正极之间插入中间层是进一步阻碍多硫化物穿梭的有效的方法。图4a SEM图片显示KB@Ti3C2Tx复合材料是由MXene基体和均匀分布的KB构成的。具有交织结构的KB@Ti3C2Tx复合材料表面积的增加保证了其充分的暴露出活性位点。用刮刀将复合材料涂覆到隔膜上。图4b的SEM图像显示KB/S@Ti3C2Tx颗粒被均匀地涂覆在隔膜的表面。KB/S@Ti3C2Tx的面负载约为0.28 mg cm-2,厚度约为3 μm,仅占硫电极厚度的3%(图4c)。KB@Ti3C2Tx中间层比大多数报道的中间层薄得多,太薄而无法显着影响Li-S电池的体积/重量能量密度。制备好的KB@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜可保持出色的柔韧性和机械强度,如图4d折叠形状时没有开裂脱落的现象。为了验证KB@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜具有抑制多硫化物穿梭的能力,组装了可视H型玻璃电池。图3e显示多硫化物迅速扩散穿过未改性的隔膜,4小时内右侧容器中的溶液从无色变为浅黄色,表明多硫化物的扩散不受控制。与之形成鲜明对比的是,带有KB@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜的H型电池8小时后右侧容器中的溶液仅开始变成浅黄色。图4. (a)KB/S@Ti3C2Tx的SEM图像。(b)KB/S@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜的SEM图像。(c)KB/S@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜的SEM截面图。(d)KB/S@Ti3C2Tx涂层修饰隔膜的照片。(e)使用未改性PP隔膜和KB/S@Ti3C2Tx涂层修饰后隔膜测量多硫化物的渗透。
图5显示了KB@Ti3C2Tx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@Ti3C2Tx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@Ti3C2Tx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@Ti3C2Tx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@Ti3C2Tx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。
湖南省百人计划(2017年)、湖湘高层次人才计划(2019年)获得者。2012年博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所,2013年在加拿大滑铁卢大学进行博士后研究,2017年10月入职湖南大学。主要从事高比能二次电池研究,任《储能科学与技术》编委。近年来共发表学术论文30篇,包括Nature Energy (2篇),Nature Commun.,Angew.Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.,Adv. Energy Mater.,ACS Nano等论文15篇。论文被引用7000余次,共有14篇论文入选ESI高被引文章(其中12篇为第一作者),且有4篇论文被评为热点文章。获中国发明专利4项(已授权),申请国际发明专利4项。