我院院長唐少春教授、南大孟祥康教授團(tuán)隊(duì)在商業(yè)鋰硫電池隔膜改性提升方面取得進(jìn)展

多硫化物的穿梭效應(yīng)和緩慢的反應(yīng)動力學(xué)是當(dāng)前鋰硫（Li-S）電池發(fā)展的主要障礙。近日，南京大學(xué)唐少春教授、孟祥康教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種由內(nèi)含不飽和金屬位點(diǎn)超薄 Ni-Co MOF和導(dǎo)電Ti₃C₂T_x納米片 (Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF) 構(gòu)成的新型2D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，涂覆商業(yè)隔膜后實(shí)現(xiàn)了鋰硫電池性能的大幅提升。該成果以“Synergistic Adsorption-Electrocatalysis of 2D/2D Heterostructure toward High Performance Li-S Batteries”為題發(fā)表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal（DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135535），論文第一作者是南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院在讀博士研究生任逸倫，通訊作者是唐少春教授、孟祥康教授和助理研究員馬玉潔。

基于協(xié)同吸附-電催化，改性隔膜不僅能有效抑制多硫化物的溶解并促進(jìn)其轉(zhuǎn)化，還能加速電子/離子的轉(zhuǎn)移。密度泛函理論結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)對多硫化物具有很強(qiáng)的吸附能，其轉(zhuǎn)化能壘較低。將異質(zhì)結(jié)構(gòu)Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF改性的商業(yè)隔膜用于Li-S電池，在0.2C條件下表現(xiàn)出1260 mAh g^-1的可逆容量；在0.5 C下充放電循環(huán)350次容量保持率為91.1%的出色循環(huán)穩(wěn)定性。硫負(fù)載量為5.8 mg cm^-2，E/S為4 uL mg^-1時，電池依然保持穩(wěn)定的高容量。

圖文解析

圖1. 2D/2D Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成流程及微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. a) Ti₃C₂T_x的SEM和d) TEM圖；b) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的SEM和e)TEM圖；c, f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的元素分布；g) SEM圖和h)橫截面SEM圖；i) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP隔膜在不同形變情況下的數(shù)碼照片。

圖3. a) FTIR光譜，b) XRD圖譜和c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和 Ni-Co MOF的XPS表面圖譜；d, e) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的高分辨C 1s和O 1s XPS圖譜；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x的高分辨率Ti 2p。

圖4. a)添加Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和Ni-Co MOF 2 h后Li₂S₆溶液的紫外-可見吸收光譜及對應(yīng)數(shù)碼照片；b)掃描速率為10 mV s^-1時對稱電池的CV曲線；c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆的高分辨率Ti 2p XPS光譜；d) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的高分辨率Co 2p和e)Ni 2p XPS光譜；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆和Li₂S₆的高分辨率S 2p XPS光譜；g-i) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和CP的恒電位放電曲線。

圖5. a) S₈、Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S₂和Li₂S在Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF上吸收的優(yōu)化配置；b) 硫化物與Ti₃C₂T_x、Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF 表面之間的結(jié)合能；c)在Ti₃C₂T_x、Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF表面上從S₈到Li₂S放電過程的相對自由能；d) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP的放電/充電過程示意圖。

圖6. a) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP、Ti₃C₂T_x@PP和PP的穿梭電流曲線；b)第一圈的CV曲線；c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@P在不同掃描速率(0.1-0.5 mV S^-1)下的CV曲線；d) 使用PP、Ti₃C₂T_x@PP和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP隔膜的Li-S電池的循環(huán)性能(0.2 C)和e)倍率性能；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在不同倍率下的恒電流充放電曲線；g) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在0.5 C和1C下的長期循環(huán)性能；h) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在0.1 C下的電化學(xué)性能，S負(fù)載量約5.8 mg cm^-2，E/S比為 4 μL mg^-1。插圖是Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP 組裝的Li-S電池供電的LED照片。

總結(jié)與展望

總之，本研究成果報道了一種用于改性提升鋰硫電池商用隔膜的二維/二維Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。基于超薄Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x納米片的協(xié)同作用，有效提高了LiPSs的吸附和催化效果。具有豐富不飽和金屬位點(diǎn)的超薄Ni-Co MOFs能錨定LiPSs并促進(jìn)其轉(zhuǎn)化，而Ti₃C₂T_x納米片的高電導(dǎo)率提供大量電子加速了反應(yīng)動力學(xué)。這項(xiàng)工作為高性能長循環(huán)壽命鋰硫電池商用隔膜的開發(fā)提供了一種新思路和技術(shù)手段。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51771090），江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計劃（BE2020684），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（14380163）的聯(lián)合支持。

文獻(xiàn)來源

Ren Y, Zhai Q, Wang B, et al. Synergistic Adsorption-Electrocatalysis of 2D/2D heterostructure toward high performance Li-S batteries. Chemical Engineering Journal, 439, 2022, 135535.

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135535