【背景】
锂硫（Li-S）电池被认为是实现500Wh kg-1能量密度的最有希望的候选者之一。然而，穿梭效应、缓慢的硫转化动力学和锂枝晶生长的挑战严重阻碍了实际应用。
【工作介绍】
近日，西南科技大学宋英泽、吉林大学王东、清华大学深圳国际研究生院周光敏等团队通过双功能V2C-MXene组装促进硫的演变动力学，同时发挥锂离子筛的作用，从而实现了实用的锂硫电池。该成果以Dual-Functional V2C MXene Assembly in Facilitating the Sulfur Evolution Kinetics and Li-Ion Sieving towards Practical Lithium–Sulfur Batteries为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。第一作者是：Chen Le、Sun Yingjie、Wei Xijun。
本工作设计了具有球形封闭结构的多尺度V2C MXene（VC）作为高效的双功能促进剂，用于促进Li-S电池中硫和锂组分的演变。结合同步辐射X射线三维纳米计算机断层扫描（X射线三维纳米CT）、小角中子散射（SANS）技术和第一原理计算，作者发现VC的活性可以通过调整尺度而达到最大化，所获得的功能进行如下：
(i) 由于有大量的活性位点，VC成为高效的多硫化锂（LiPS）清除剂。
(ii) 由于尺寸效应，VC对Li2S的成核和分解反应动力学表现出明显改善的电催化功能。
(iii) 由于独特的离子筛效应，VC可以调节Li+的动态行为，从而有效地稳定了锂的镀层/剥离。
阴极和阳极的同步优化使Li-S电池具有卓越的速率能力和循环稳定性，例如，高硫负荷为8.1 mg cm-2的电池在低E/S比为4 μL mgS-1的情况下可以实现8.1 mA h cm-2的高面积容量。
MXene-V2C（VC）球体可以作为加速Li2S转换反应动力学和Li-S电池的结构离子筛。一方面，由于比表面积的增加，通过调整VC球体的尺寸可以获得更多的活性位点，这导致了调节Li-S氧化还原反应的优异活性（图1b）。如扫描电子显微镜（SEM）图像（图1c-e）所示，可以确定设计的VC球体的规模。注意到VC精致的球形结构是从三聚氰胺甲醛（MF）模板上继承下来的，在自组装和模板牺牲的过程中没有结构的崩溃和体积的变化。另一方面，随着VC球体的减少，形成的高密度通道结构可以提供越来越均匀的锂离子流量（图1f）。此外，COMSOL的结果进一步证明，随着更小的VC球体的堆叠，锂离子通量变得更加均匀（图1g）。由于独特的尺寸效应，VC球体可以最大限度地发挥其活性，同时调节硫的演变、锂的剥离和电镀行为。因此，优化后的Li-S电池在0.1C时具有1206.4 mA h g-1的显著初始放电容量，并且在600次循环中具有出色的循环稳定性，在1C时每循环的衰减率为0.04%。
图1、示意性说明了基于VC的隔膜对硫和锂演变效率的尺寸效应。
图2. VC球体的尺寸控制，用于电催化活性操纵目标高效的硫转化反应。
图3. 尺寸确定的VC球体上硫的演变特征。
图4、尺寸确定的VC对锂阳极表面状态的影响。
图5、尺寸确定的VC/PP隔膜的锂硫电池的电化学性能。
本工作实现了从1000纳米到150纳米的VC球体的尺寸调控，以调节其对锂硫电池的电化学活性。结合实验和理论分析，在1000至150nm的尺寸范围内，VC的催化活性可以随着其尺寸的减小而增加。这种尺寸确定的VC球体可以同步促进硫的转换动力学并筛选锂离子，从而对硫阴极和锂阳极表现出显著的双重保护作用，并随着VC球体尺寸的减小而逐渐增加。特别值得注意的是，尺寸约为150 nm的VC球体具有最高的电化学活性，因此赋予了锂硫电池优异的容量和较长的工作寿命，特别是在高硫负载（8.1 mg cm–2）和低E/S比（4μL mg–1）的实际情况下。这项工作不仅提供了新的和可扩展的策略，以最大限度地提高Li–S氧化还原反应中的电化学活性，而且还揭示了硫阴极和锂阳极的尺寸优化催化剂的潜在工作机制。
Dual-Functional V2C MXene Assembly in Facilitating the Sulfur Evolution Kinetics and Li-Ion Sieving towards Practical Lithium–Sulfur Batteries
Advanced Materials ( IF 32.086 ) Pub Date : 2023-03-19 , DOI: 10.1002/adma.202300771
Le Chen, Yingjie Sun, Xijun Wei, Lixian Song, Gang Tao, Xuan Cao, Dong Wang, Guangmin Zhou, Yingze Song
中科院北京纳米能源所蒲雄AM：非外延电沉积制备织构取向的锌金属负极
2023-03-10
阿德莱德大学乔世璋&广东工业大学林展：pH 触发的分子开关实现水系锌电界面调控
2023-03-10
Origin处理XRD、XPS、FTIR、Raman、TGA、DSC、CV、UV-Vis数据和绘图！
2023-03-09
芮先宏&余彦Angew：低温钠电，碳酸酯电解液的溶剂化分子工程实现-40 ℃持久运行
2023-03-09
深圳大学Angew：低成本、高强度的纤维素基准固态聚合物电解质
2023-03-09
Materials Horizons：富镍层状氧化物正极中机械裂纹引起的全固态电池容量衰减机理
2023-03-09
大连理工大学王治宇、邱介山&大连化学物理研究所刘健：多谱学原位分析聚合物固态电解质失效机制
2023-03-06
康奈尔大学Lynden Archer教授Angew：聚合物人造SEI膜的吸附规律，为延长电池的寿命提供了一种简单、通用的方法
2023-03-04
天大杨全红、清华深研院吕伟AEM：锂硫电池中实现超高库伦效率——可原位聚合的电解液添加剂
2023-03-04
北京理工大学陈人杰教授、钱骥研究员AM：新型冷粘合策略在温和条件下构筑高稳定固态电解质/锂金属界面
2023-03-04
南京大学郭少华、周豪慎AEM：低温电解质的未来研究方向
2023-03-03
清华大学李宝华教授Nano Energy：稀释剂增强阴离子溶剂化衍生界面化学的协同效应，实现4.5VLi||LiCoO2电池
2023-03-03
加州大学忻获麟ESM：锂金属“反应润湿-均匀形核-保形生长”多步演变的原位观测
2023-03-02
Nature子刊：单氟醚电解液，可快充、低温性能优异
2023-03-02