基于MXene量子点的隔膜修饰材料用于高性能锂硫电池

JMCA：基于MXene量子点的隔膜修饰材料用于高性能锂硫电池

Developing a MXene quantum dots-based separator for Li-S batteries

Ke Yang, Chan Li, Haoyuan Qi, Yunfei Dai, Yuhong Cui, and Yibo He*

文章摘要

多硫化物的穿梭效应导致缓慢的动力学严重阻碍了锂硫电池的实际应用，隔膜改性是解决多硫穿梭的有效渠道。多种二维（2D）材料都被广泛应用到隔膜修饰层来阻隔多硫化物的穿梭。其中，石墨烯、MXene等碳基材料以其天然的2D平面优势可以很好的在原始隔膜表面形成致密的保护层，进而阻止多硫穿梭的发生。

​相比于石墨烯，MXene由于其高导电性也被广泛应用于储能领域，然而由于其自重堆叠的特性会包埋材料表面有限的多硫吸附位点，将其量子化不仅可以避免堆垛，而且量子尺寸效应可以暴露出更多的活性位点，提高对于多硫化物的化学吸附和催化转化能力。但是非极性碳材料与极性多硫化物之间的弱物理作用并不能确保对多硫化物长期有效的限制，而氮杂原子引入的化学吸附作用可以很好的克服这一缺陷。其中，g-C3N4已被证明包含丰富的吡啶-N，可以为多硫化锂提供有效的锚定点，同时，其2D优势也可以作为为MXene量子点吸附多硫化物的基底，进而提升锂硫电池性能。

在此，以g-C3N4作为基底材料，利用静电吸附原理在其表面自组装了MXene量子点（g-C3N4@MQDs）作为多硫化物吸附和催化转化的位点。相比于单独g-C3N4，异质结构g-C3N4@MQDs不仅对Li2S的沉积表现出更高的沉积电流和沉积容量（257.4 mAh g-1），证明了其优异的催化转化能力，同时也对Li2S6表现出更强的吸附锚定能力。基于上述优势，以g-C3N4@MQDs/Celgard（GMC）组装的锂硫电池展现出优异的电化学性。在0.1 C下可以提供1433 mAh g-1的高比容量，优异的倍率性能（4 C下放电容量为532 mAh g-1）以及稳定的长循环性能（2 C下1000次循环后，每圈容量衰减仅为0.024%）。该工作以MQDs为吸附和催化位点，增强了g-C3N4对于多硫化物的催化转化能力，拓宽了MQDs在储能领域的应用范围，对高性能锂硫电池隔膜的设计具有重要参考。

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主要内容

图1 （a）g-C3N4@MQDs的制备过程示意图，（b）和使用多功能层的锂硫电池的结构示意图。

图2 g-C3N4@MQDs的（a）SEM，（b）TEM，（c）HRTEM，（d）HAADF图片和相应的元素分布图。g-C3N4，MQDs和g-C3N4@MQDs的（e）XRD谱图，（f）FT-IR谱图，（g）XPS全谱图以及高分辨（h）C 1s，（i）N 1s和（j）Ti 2p谱图。

图3 （a）GMC隔膜的b表面SEM图片及对应的元素分布图。（b，c）GMC隔膜的截面SEM图片。（d）不同隔膜与电解液之间的光学接触。（e）不同隔膜的Li+迁移数特征。

图4 （a）GMC、GC和Celgard隔膜组装锂硫电池的循环伏安曲线和（b）EIS谱图。（c）不同隔膜组装的Li-S电池在0.1 C下的首次恒电流充电/放电曲线。（d）倍率性能曲线和（e）不同倍率下对应的恒电流充电/放电曲线。不同隔膜组装的Li-S电池在（f）0.2 C和（g）2 C下的循环性能。

图5 以（a）g-C3N4@MQDs-CP，（b）g-C3N4-CP和（c）CP组装Li-S电池在2.05 V的恒电位放电曲线以及（d-f）Li2S在其表面沉积的SEM图片。

结论

综上所述，利用质子化g-C3N4与MQDs之间的静电吸附作用，得到了用于Li-S电池的g-C3N4@MQDs隔膜修饰层。均匀分布在g-C3N4表面的MQDs对多硫化物展现出超强的吸附捕获能力，同时以Li2S成核实验验证了g-C3N4@MQDs异质结的高电催化活性。基于上述结构设计，组装有GMC隔膜的Li-S电池有效阻止了多硫化物的穿梭效应，提高了硫的利用率，从而实现了优异的倍率性能和长循环的稳定性。在0.1 C下可提供1433 mAh g-1的高比容量，以及在2 C下1000次循环后，每圈容量衰减低至0.024%。本工作提出量子点吸附效应局部限域多硫化物穿梭的新思路，验证了量子化MXene材料基于其尺寸效应对于多硫化物的有效吸附性，拓宽了MXene基材料在Li-S电池中的应用，对于高性能多吸附位点Li-S电池隔膜的结构设计具有重要意义。

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