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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
錯綜復(fù)雜的多硫化鋰穿梭和遲緩的電化學(xué)轉(zhuǎn)換動力學(xué)嚴重阻礙了鋰-S電池的實際應(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，以同時實現(xiàn)強大的LiPS固定化、高效的催化轉(zhuǎn)換動力學(xué)和可行的鋰離子擴散。實驗和理論結(jié)果驗證了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散障礙降低，還能將LiPSs催化轉(zhuǎn)化為Li2S2/Li2S。此外，對LiPSs的排斥性和電解質(zhì)滲透性的定量評估證實了由于智能孔隙結(jié)構(gòu)和高效的錨定催化位點，CM/MoS2涂層層具有獨特的高通量篩選滲透性。因此，CM/MoS2修飾的分離器實現(xiàn)了對多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴散的瞬間調(diào)節(jié)。由于這些獨特的優(yōu)點，采用CM/MoS2改性隔膜的鋰-S電池在0.1C時具有1336的高容量，5.5 mA h cm-2的可觀面積容量，在2C時具有810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C時具有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）電池被認為是下一代可充電儲能系統(tǒng)最有希望的候選者。然而，鋰硫電池的幾個內(nèi)在缺點嚴重阻礙了其實際應(yīng)用。除了硫和Li2S固有的低導(dǎo)電性外，溶解的多硫化鋰（LiPSs）從陰極到陽極的穿梭是另一個臭名昭著的問題，導(dǎo)致嚴重的自放電，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便、低成本和成功的技術(shù)，可以固定LiPSs并減輕它們的擴散。商用聚丙烯（PP）隔膜在陰陽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鋰離子電池來說也是暢通無阻的，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。-尤其是MXenes，由于其高導(dǎo)電性、對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+的擴散速度，導(dǎo)致反應(yīng)動力學(xué)遲緩。因此，如何同時調(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)計具有協(xié)同結(jié)構(gòu)的異質(zhì)催化劑被認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，人們認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)建具有適當結(jié)構(gòu)特征和高離子導(dǎo)電功能的膜。
研究要點
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阻止多硫化物遷移達99.68%，并保持與原始PP隔膜相當?shù)碾娊赓|(zhì)滲透性能，即18.8 L m-2 h-1 bar-1。這是第一份定量評估鋰-硫電池中功能性隔膜的離子屏蔽滲透性的報告。
3. 受益于多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴散的即時調(diào)節(jié)，在CM/MoS2功能隔膜的幫助下，鋰-硫電池在0.1C時提供了1336 mA h g-1的高容量，5.5 mA h cm-2的相當大的面積容量，在2C時提供了810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C時超過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，可同時調(diào)節(jié)多硫化物的攔截/轉(zhuǎn)化和Li+的擴散，實現(xiàn)了鋰-S電池的競爭性電化學(xué)性能。巧妙的CM/MoS2修飾的PP隔膜實現(xiàn)了99.68%的LiPS排斥率和18.8 L m-2 h-1 bar-1的競爭性電解質(zhì)滲透性能，展示了獨特的高通量篩選滲透性。綜合實驗和理論計算結(jié)果驗證了強大的LiPS固定化，以及高效的催化轉(zhuǎn)化和Li+擴散動力學(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時實現(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810 mA h g-1的優(yōu)秀速率能力，以及在1C時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%。這種策略在即時調(diào)控多硫化物攔截/轉(zhuǎn)化和Li+擴散方面是切實可行和有效的。我們的工作為了解鋰-S電池的界面化學(xué)的評估協(xié)議提供了新的啟示。
文章鏈接
A high-throughput screening permeability separator with high catalytic conversion kinetics for Li–S batteries，Yuting Jiang, Pei Liang, Mingjian Tang, Shipeng Sun, Huihua Min, Jiachen Han, Xiaodong Shen, Hao Yang, Dongliang Chao, Jin Wang*, https://doi.org/10.1039/D2TA04592C