我院院長唐少春教授,、南大孟祥康教授團隊在商業(yè)鋰硫電池隔膜改性提升方面取得進展

多硫化物的穿梭效應和緩慢的反應動力學是當前鋰硫（Li-S）電池發(fā)展的主要障礙。近日,，南京大學唐少春教授,、孟祥康教授團隊開發(fā)出一種由內(nèi)含不飽和金屬位點超薄 Ni-Co MOF和導電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現(xiàn)代工程與應用科學學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)果進一步證實，異質(zhì)結(jié)構(gòu)對多硫化物具有很強的吸附能,，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下的電化學性能，S負載量約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?；诔?/span>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的超薄Ni-Co MOFs能錨定LiPSs并促進其轉(zhuǎn)化,，而Ti₃C₂T_x納米片的高電導率提供大量電子加速了反應動力學,。這項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手段,。

該工作得到了國家自然科學基金（51771090），江蘇省重點研發(fā)計劃（BE2020684）,，中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（14380163）的聯(lián)合支持。

文獻來源

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.

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135535