【先進(jìn)電源】復(fù)旦 晁棟梁 & 南京工業(yè) 王瑾 JMCA | 用于鋰-硫電池的具有高催化轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)的高通量篩選滲透性隔膜
第一作者：Jiang Yuting、Liang Pei
通訊作者：王瑾
通訊單位：南京工業(yè)大學(xué)
摘要：錯(cuò)綜復(fù)雜的多硫化鋰穿梭和遲緩的電化學(xué)轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重阻礙了鋰-S電池的實(shí)際應(yīng)用。分離劑改性已被證明是解決這些問題的有效策略。在此，分層皺褶MXene/MoS2（CM/MoS2）異質(zhì)結(jié)構(gòu)被用作PP隔膜上的高效離子選擇性膜，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的LiPS固定化、高效的催化轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)和可行的鋰離子擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果驗(yàn)證了MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅通過路易斯酸堿相互作用和硫鏈catenation的結(jié)合將LiPSs化學(xué)固定化，而且由于鋰原子的擴(kuò)散障礙降低，還能將LiPSs催化轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S2/Li2S。此外，對(duì)LiPSs的排斥性和電解質(zhì)滲透性的定量評(píng)估證實(shí)了由于智能孔隙結(jié)構(gòu)和高效的錨定催化位點(diǎn)，CM/MoS2涂層層具有獨(dú)特的高通量篩選滲透性。因此，CM/MoS2修飾的分離器實(shí)現(xiàn)了對(duì)多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴(kuò)散的瞬間調(diào)節(jié)。由于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，采用CM/MoS2改性隔膜的鋰-S電池在0.1C時(shí)具有1336的高容量，5.5 mA h cm-2的可觀面積容量，在2C時(shí)具有810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C時(shí)具有500次以上的穩(wěn)定循環(huán)性能，每次循環(huán)的容量衰減為0.056%。
研究背景
具有高理論比容量和高能量密度的鋰硫（Li-S）電池被認(rèn)為是下一代可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)最有希望的候選者。然而，鋰硫電池的幾個(gè)內(nèi)在缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。除了硫和Li2S固有的低導(dǎo)電性外，溶解的多硫化鋰（LiPSs）從陰極到陽(yáng)極的穿梭是另一個(gè)臭名昭著的問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的自放電，低能量效率和低循環(huán)穩(wěn)定性。隔膜的功能修飾被證明是一種簡(jiǎn)便、低成本和成功的技術(shù)，可以固定LiPSs并減輕它們的擴(kuò)散。商用聚丙烯（PP）隔膜在陰陽(yáng)極之間起著電隔離和離子傳輸中介的作用。然而，聚丙烯隔膜中的多孔通道對(duì)鋰離子電池來(lái)說也是暢通無(wú)阻的，導(dǎo)致硫的利用率低和不利的容量消退。到目前為止，已經(jīng)探索了各種創(chuàng)新材料作為阻礙性涂層，通過物理限制將LiPSs與納米結(jié)構(gòu)的碳材料固定在一起，并通過化學(xué)吸附將極性材料（如金屬氧化物、硫化物、硒化物、碳化物和氮化物）固定下來(lái)。-尤其是MXenes，由于其高導(dǎo)電性、對(duì)LiPSs的可靠捕獲能力以及高效的催化作用，在鋰-硫電池的功能化層中顯示出良好的應(yīng)用前景。Li+的擴(kuò)散速度與電解質(zhì)中的路徑有直觀的關(guān)系。PP隔膜上的涂層不可避免地阻礙了電解液的滲透，從而減慢了Li+的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩。因此，如何同時(shí)調(diào)節(jié)多硫化物的錨定/轉(zhuǎn)化并結(jié)合快速的Li+滲透性是長(zhǎng)壽命可充電鋰-硫電池的主要瓶頸。受選擇性離子篩的多功能性啟發(fā)，精確構(gòu)建篩選滲透性分離器極有望克服上述挑戰(zhàn)。特別是MXenes，一種新興的二維金屬碳化物和氮化物家族，由于其高導(dǎo)電性、親水表面、巨大的靈活性和可設(shè)計(jì)的表面電荷狀態(tài)，顯示出應(yīng)用于離子隔離膜的潛力。然而，二維MXenes本質(zhì)上傾向于重新堆積，導(dǎo)致卓越的多硫化物攔截能力，但鋰離子傳導(dǎo)遲緩。合理設(shè)計(jì)具有協(xié)同結(jié)構(gòu)的異質(zhì)催化劑被認(rèn)為是一種有效的方式，可以潛在地整合分離器改性的涂層要求。特別是各種基于MXene的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括TiO2-MXene、iCON-MXene和MOF-MXene，已經(jīng)被開發(fā)為功能性隔膜的多功能催化劑，以優(yōu)化化學(xué)結(jié)構(gòu)和孔隙特征，提高鋰-硫電池的電化學(xué)性能。同時(shí)，人們認(rèn)為多硫化物的攔截能力也容易受到孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的影響。長(zhǎng)鏈多硫化物可以很容易地通過具有大尺寸孔隙的膜，導(dǎo)致不可避免的多硫化物泄漏。因此，高離子選擇性隔膜的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)是精確構(gòu)建具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)特征和高離子導(dǎo)電功能的膜。
研究要點(diǎn)
1. 我們提出了一種高效的離子選擇性分離器，該分離器的涂層由具有智能孔結(jié)構(gòu)和高效錨定催化位點(diǎn)的分層皺縮MXene/MoS2（CM/MoS2）異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。
2. CM/MoS2功能分離器可以同時(shí)阻止多硫化物遷移達(dá)99.68%，并保持與原始PP隔膜相當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)滲透性能，即18.8 L m-2 h-1 bar-1。這是第一份定量評(píng)估鋰-硫電池中功能性隔膜的離子屏蔽滲透性的報(bào)告。
3. 受益于多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴(kuò)散的即時(shí)調(diào)節(jié)，在CM/MoS2功能隔膜的幫助下，鋰-硫電池在0.1C時(shí)提供了1336 mA h g-1的高容量，5.5 mA h cm-2的相當(dāng)大的面積容量，在2C時(shí)提供了810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C時(shí)超過500次循環(huán)的穩(wěn)定循環(huán)性能，每次循環(huán)的容量衰減為0.056%。
研究結(jié)論
我們開發(fā)了一種具有高效離子選擇性的三維分層CM/MoS2膜，可同時(shí)調(diào)節(jié)多硫化物的攔截/轉(zhuǎn)化和Li+的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了鋰-S電池的競(jìng)爭(zhēng)性電化學(xué)性能。巧妙的CM/MoS2修飾的PP隔膜實(shí)現(xiàn)了99.68%的LiPS排斥率和18.8 L m-2 h-1 bar-1的競(jìng)爭(zhēng)性電解質(zhì)滲透性能，展示了獨(dú)特的高通量篩選滲透性。綜合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了強(qiáng)大的LiPS固定化，以及高效的催化轉(zhuǎn)化和Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。因此，受益于能量屬性，帶有CM/MoS2功能隔膜的鋰-S電池在0.1C時(shí)實(shí)現(xiàn)了1336 mA h g-1的高容量，5.5 mA h cm-2的可觀面積容量，在2C時(shí)810 mA h g-1的優(yōu)秀速率能力，以及在1C時(shí)500次以上的穩(wěn)定循環(huán)性能，每次循環(huán)的低容量衰減為0.056%。這種策略在即時(shí)調(diào)控多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴(kuò)散方面是切實(shí)可行和有效的。我們的工作為了解鋰-S電池的界面化學(xué)的評(píng)估協(xié)議提供了新的啟示。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA04592C