清华大学吕伟《AFM》：凝胶化MXene作为双功能硫宿主同时稳定实用锂硫电池的正负极!

MXene的凝胶化有望组装用于各种应用的3D导电和催化单片。然而，可控装配和功能定制仍然具有挑战性。

近日，清华大学深圳国际研究生院吕伟副教授通过“一石二鸟”引发剂（金属卤化物，通常为ZnI2），使MXene的可控凝胶化得以实现，从而产生一种硫宿主，它不仅能稳定锂硫电池的正极，还能稳定锂金属负极。研究显示，Zn2+阳离子会触发凝胶化并充当MXene纳米片（NSs）之间的连接体，而碘阴离子作为间隔物避免了NSs的重新堆积，形成了具有良好可调3D结构的单片。作为硫宿主，所形成的三维整体具有吸附性Zn─O位点和高可触及表面，大大提高了硫的氧化还原动力学，有效抑制了硫的穿梭和损失。同时，碘阴离子作为添加剂释放到电解液中，消除了负极在循环过程中的死锂。因此，组装后的电池具有较高的库仑效率（即使在高硫负载：6.6 mg cm-2的情况下也能达到99%以上）和较长的循环稳定性。此外，在实用条件下（E/S比：5 µL mgs-1，硫负荷：5 mg cm-2），经过200次循环后的高容量保持率大于70%。

文章要点：

1. 这项工作报告了一种卤化金属引发的MXenes凝胶化方法，该方法不仅实现了良好的三维结构控制，而且在组装过程中预留了金属催化位点和可溶性碘阴离子电解质添加剂，实现了硫的双重宿主功能。

2. 以碘化锌（ZnI2）为例，二价锌阳离子破坏了MXene NSs之间的静电斥力，并充当连接不同NSs的连接剂，引发凝胶化并形成三维相互连接的结构。同时，吸附在MXene NSs上的碘阴离子起着间隔物的作用，阻止它们紧密地重新堆积。因此，可以通过改变ZnI2的浓度或使用不同的引发剂来调整NSs的间距和三维结构。

3. 以ZnI2（称为MXene-ZnI2）为硫宿主的三维单片最大限度地增加了锂多硫化物（LiPSs）与催化性MXene NSs的接触，并在锂硫电池中显示出双重功能。一方面，MXenes上的锌位点增强了与LiPSs的相互作用和催化活性，有效降低了从LiPSs到Li2S的限速反应步骤的活化能（从纯MXenes的0.35 eV降至0）；另一方面，储存在单体中的碘离子会在循环过程中作为添加剂逐渐释放到电解质中，使锂金属负极表面的死锂复活。

4. 因此，使用MXene-ZnI2/S作为正极，上述功能可实现超低容量衰减，在2C条件下循环1000次中，每次衰减0.036%。此外，在5 μLmgs-1的低E/S比和5 mg cm-2的高硫负载条件下，可稳定循环200次，容量保持率高达≈70%。因此，所提出的双功能宿主有望促进高负载和贫电解质条件下锂硫电池的实际应用。

图1 材料制备及作用示意

图2 材料表征

图3 动力学研究

图4 锂硫电池性能研究

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310508

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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