锂离子电池因其较高能量密度和长循环寿命等特性而成功的实现了应用，但是锂金属资源的有限和锂离子电池整体成本高依旧制约着其进一步的发展。相比而言，镁离子电池安全、成本低，镁作负极时表面不容易产生枝晶、理论体积比容量大 (3832 mAh cm^-3)，且镁金属资源丰富（储量是锂的1000倍）、市场价格低廉、化学稳定性高于锂，被认为是理想的锂离子电池部分替代品。自Aurbach首次提出了一种可充电的镁离子电池原型以来，人们一直致力于提高镁离子电池的能量密度、可逆性和循环寿命。镁离子电池的首要研究方向是寻求合适的正极材料和与之匹配的电解液。其中，硫单质是非常有应用潜力的正极材料，它具有非常高的理论质量比容量（1672 mAh g^-1）和理论体积比容量（3459 mAh cm^-3），且硫资源丰富、价格低。但是，镁硫电池在充放电过程中总是伴随着多硫化物的“穿梭”现象，造成电池容量衰减、循环寿命短。

非亲核性的电解液(如Mg(HMDS)₂、Mg(CB₁₁H₁₂)₂、Mg(TFSI)₂）通常被应用于镁硫电池。其中Mg(TFSI)₂电解液被广泛应用于镁离子电池和镁硫电池，而高浓度电解液可以抑制多硫化镁的溶解，从而一定程度上抑制多硫化物的“穿梭效应”。除此，碳、金属化合物等作为宿硫材料应用于镁硫电池可以提高正极的导电性并且可以抑制多硫化物的“穿梭效应”。于是，如何促进宿硫材料对多硫化物的吸附、促进多硫化物的快速转化、抑制多硫化物在电解液中的溶解，进而提高镁硫电池的实际比容量和循环寿命、提升镁硫电池的电化学性能是一个值得研究的问题。

本工作通过MXene二维纳米片与Co²⁺静电自组装进一步制备了Ti₃C₂@Co-LDH复合材料，该材料在Ar/H₂气氛中退火得到Ti₃C₂@CoO复合材料。Ti₃C₂材料具有良好的导电性，基于多硫化物吸附实验和密度泛函理论(DFT)计算证实了Ti₃C₂@CoO复合材料相比较于单独的Ti₃C₂材料对多硫化镁有更强的吸附作用，而Ti₃C₂相比较于CoO更有利于Mg²⁺的扩散。此外，1 M Mg(TFSI)₂/AlCl₃/diglyme 电解液能够显著改善镁硫电池电化学性能。

该成果在线发表于国际知名期刊 Chemical Engineering Journal (影响因子13.273) 上，题目为：Rational design of high concentration electrolytes and MXene-based sulfur host materials toward high-performance magnesium sulfur batteries。

徐昊为本文第一作者。

      XRD、SEM和TEM结果证明了Ti₃C₂@CoO复合材料的成功合成。从高分辨TEM图上可以看到5-10 nm的CoO颗粒均匀的覆盖在Ti₃C₂纳米片上。进一步将其与单质硫复合得到S-Ti₃C₂@CoO复合材料，SEM图表明该复合材料表面变得粗糙， EDX结果证实了C、O、Ti、Co和S元素的均匀分布。电化学测试结果表明，1 M Mg(TFSI)₂/AlCl₃/diglyme 电解液相比较于0.25 M 电解液可以显著提升镁硫电池电化学性能。Ti₃C₂@CoO宿硫材料相比较于Ti₃C₂宿硫材料能进一步改善镁硫电池电化学性能。S-Ti₃C₂@CoO正极材料配以1M Mg(TFSI)₂/AlCl₃/diglyme电解液组装得到的镁硫电池展现出良好的电化学性能，当电流密度为100 mA g^-1时，循环70次后可以保持540 mAh g^-1的比容量。非原位XPS结果证明镁硫电池是以镁和多硫化镁之间的相互转化进行充放电的，初始放电过程中，S不能转化为MgS，造成初始放电比容量小于理论比容量，而多硫化镁在充电中不能够完全转化为S，造成容量衰减。DFT计算证明CoO相比较于Ti₃C₂对MgS₈、MgS₄和MgS具有更负的吸附能，表明了CoO对多硫化镁的强吸附性。本文所研究的体系对镁硫电池电解液和宿硫材料的制备提供了有益的启示。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131031

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