S-MXene应用于高性能Na-S电池

【研究背景】
      为了满足日益增长的电动汽车和电网应用的需要，高能量密度可充电电池，特别是锂离子电池(LIBs)得到了广泛的应用。然而，由于锂资源的高成本和可用性，人们对锂电池产生了担忧。室温钠硫电池(RT Na−S)因其高理论能量密度(1274 W h kg−1)和钠和硫的大储量和低成本等优点而很有发展前景。然而，RT-S电池存在可逆容量低、自放电和循环性能差等缺点，阻碍了其广泛应用。单质硫的天然绝缘性限制了其作为活性材料的应用，导致阴极的电化学过程动力学缓慢。同时，还原后的多硫化钠在充放电过程中的溶解度比多硫化锂严重得多，加剧了多硫化钠的不可控穿梭效应，导致RT-S电池循环寿命较差。由于其二维结构、功能面、高导电性和电池的化学耐久性，MXenes在可充电电池、超级电容器、催化剂、电磁屏蔽、电致变色材料、天线等方面具有广阔的应用前景。特别是在高倍率锂硫电池、电容器和RT钠电池等领域。

【文章简介】
      近日，悉尼科技大学理学院清洁能源技术中心的汪国秀教授课题组和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi共同发表在ACS Nano: Boosting Performance of Na−S Batteries Using Sulfur-Doped Ti3C2Tx  MXene Nanosheets with a Strong Affinity to Sodium Polysulfides

      钠硫电池使用了储量丰富的元素，为目前使用的电池提供了一个有吸引力的替代选择，但它们需要更好的含硫材料来与锂离子电池竞争容量和循环能力。本文提出了一种原位硫掺杂策略，通过将异原子硫从MAX前驱体引入MXene结构来功能化MXene纳米薄片。采用真空冷冻干燥法制备了具有高比表面积的三维褶皱MXene纳米结构。在室温钠硫电池中，采用特制的皱缩硫掺杂MXene (S−Ti3C2Tx  )纳米片作为电极主体材料。S−Ti3C2Tx 基与多硫化钠呈高极性，限制了多硫化钠的扩散。MXene/硫电极可以实现高面积负载的硫达到4.5 mg cm−2，以及良好的电化学性能(500循环后在2C时的可逆容量为577 mAh g−1)。

【图文导读】

图一为原位硫掺杂的合成过程示意图

图二为硫掺杂MAX和MXene的物理表征。

图三为材料孔径分析、热重、XRD以及XPS图谱。

图四为半电池性能测试。可以看出S掺杂MXene的硫钠电池具有相对优良的倍率及循环性能。

【本文总结】
    三维褶皱S掺杂的MXene结构可以有效地作为高性能钠硫电池的电极主体。S−Ti3C2Tx /S电极具有高容量和良好的循环性能。XPS、拉曼光谱和DFT计算证实了s掺杂的MXene对聚硫化钠的强化学吸附能力。高比容量和良好的循环性能表明，s负载褶皱s掺杂的MXene体系结构在钠硫电池中具有广阔的应用前景。此外，本研究还说明了通过MAX相前驱体a位点掺杂对MXene表面化学修饰的可行性。除了裁减M和X元素、原子层数(n)和蚀刻条件(时间、温度和组成)，a位点掺杂的使用已被证明可以进一步修改表面化学性质和增强MXene性能。

文献链接：
DOI: 10.1021/acsnano.9b04977

消息来源：微信公众号  MXene Frontier