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16

2023

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昆明理工大學《Rare Met》：多功能硫固定化石墨烯/MXene氣凝膠，用于高穩定性和長循環壽命鋰硫電池

作者:

　鋰硫電池由于其較高的理論能量密度，是下一代能源存儲的一個有希望的候選者。然而，S絕緣和多硫化鋰中間物的穿梭效應大大阻礙了它的實際應用。本文，昆明理工大學Xue Li、Yi-Yong Zhang、Ying-Jie Zhang等研究人員在《Rare Metals》期刊發表名為“Multifunctional sulfur-immobilizing GO/MXene aerogels for highly-stable and long-cycle-life lithium–sulfur batteries”的論文，研究設計了一種三維多孔氧化石墨烯（GO）/MXene（Ti3C2Tx）（GM）氣凝膠，并將其應用于鋰硫電池以解決上述問題。在這一策略中，二維（2D）GO片和高導電性MXene納米片被整合成三維多孔氣凝膠結構，形成三維導電網絡和大的極性表面，可以同時實現快速的鋰離子/電子傳輸，強化學錨定硫，并促進多硫化物之間的氧化還原反應。因此，該陰極顯示出良好的硫磺利用率和循環穩定性。所制備的GM電極電池在0.1C條件下測試了近9個月，提供了1255.62 mAh-g-1的高初始容量，并在450次循環后保持615.7 mAh-g-1。

圖1、氧化石墨烯/MXene (Ti3C2Tx)氣凝膠的合成示意圖及其電極

圖2、a, b GM氣凝膠的低倍鏡和高倍鏡圖像；c, d GM/S氣凝膠的低倍鏡和高倍鏡圖像；d中GM/S氣凝膠的e C, f S, g Ti和h O元素分布的EDS光譜

圖3、a-d 不同放大倍數的GM的TEM和HRTEM圖像；e-h 相應的a的元素映射圖像；i GO、MXene和GM氣凝膠的XRD圖譜，j FTIR光譜，k 拉曼光譜

圖4、電化學性能

圖5、a SC和GM材料的電導率；b 傳統SC和多孔GM復合電極的EIS Nyquist圖；c b的EIS擬合數據表；d傳統SC和e多孔GM復合電極在0.05C時的GITT電壓曲線；f準開路電壓（QOCV）和閉路電壓（CCV）在Li2S成核和Li2S活化點的電位差點直方圖；g傳統SC和h多孔GM復合電極的CV曲線，范圍為0. 1-1.1 mV-s-1；i 傳統SC和多孔GM復合電極的b差異點；j SC和GM電極的峰值1和k峰值2陰極電流作為其相應的掃描速率平方根的函數；l 0.5C速率下的GCD曲線和傳統SC和多孔GM復合電極在0.1 mV-s-1掃描速率的CV曲線

圖6、GM/S電極的低倍率和高倍率SEM圖像，a，b在循環前，c，d在100次循環后；e-h對應d的元素圖譜圖像；i GM/S電極的XPS分析及其j Ti 2p和k S 2p核心水平的高分辨率光譜；l GM/S電極在第10次循環后的XPS分析及其m Ti 2p和n S 2p核心水平的高分辨率光譜。使用284.8 eV的C 1s峰對結合能進行了校準，紫色圓圈和實線分別代表實驗和整體擬合光譜。

本文采用凝膠法設計的GM氣凝膠作為鋰硫電池正極材料顯示出優異的應用優勢?；贕O和Ti3C2Tx MXene納米片的3D多孔結構可以有效地形成導電網絡，使鋰離子能夠快速擴散和電子轉移。特別是，Ti3C2Tx的極性界面可以通過Ti-S相互作用有效地錨定LiPSn，從而提高Li-S電池的性能。因此，所制備的GM電極電池已在0.1C下測試了近9個月，提供了1255.62 mAh·g−1的高初始容量，并在硫負載量為2 mg·cm−1的450次循環后保持615.7 mAh·g-1，表現出高可逆容量、優異的循環穩定性和長循環壽命。本工作闡述了一種新型的具有多功能催化吸附的高效鋰硫電池獨立凝膠材料，為開發高性能鋰硫電池提供了新的方向

文獻：

https://doi.org/10.1007/s12598-023-02272-6