昆明理工大学《Rare Met》：多功能硫固定化石墨烯/MXene气凝胶，用于高稳定性和长循环寿命锂硫电池

成果简介

锂硫电池由于其较高的理论能量密度，是下一代能源存储的一个有希望的候选者。然而，S绝缘和多硫化锂中间物的穿梭效应大大阻碍了它的实际应用。

本文，昆明理工大学Xue Li、Yi-Yong Zhang、Ying-Jie Zhang等研究人员在《Rare Metals》期刊发表名为“Multifunctional sulfur-immobilizing GO/MXene aerogels for highly-stable and long-cycle-life lithium–sulfur batteries”的论文，研究设计了一种三维多孔氧化石墨烯（GO）/MXene（Ti3C2Tx）（GM）气凝胶，并将其应用于锂硫电池以解决上述问题。在这一策略中，二维（2D）GO片和高导电性MXene纳米片被整合成三维多孔气凝胶结构，形成三维导电网络和大的极性表面，可以同时实现快速的锂离子/电子传输，强化学锚定硫，并促进多硫化物之间的氧化还原反应。因此，该阴极显示出良好的硫磺利用率和循环稳定性。所制备的GM电极电池在0.1C条件下测试了近9个月，提供了1255.62 mAh-g-1的高初始容量，并在450次循环后保持615.7 mAh-g-1。

图文导读

图1、氧化石墨烯/MXene (Ti3C2Tx)气凝胶的合成示意图及其电极

图2、a, b GM气凝胶的低倍镜和高倍镜图像；c, d GM/S气凝胶的低倍镜和高倍镜图像；d中GM/S气凝胶的e C, f S, g Ti和h O元素分布的EDS光谱

图3、a-d 不同放大倍数的GM的TEM和HRTEM图像；e-h 相应的a的元素映射图像；i GO、MXene和GM气凝胶的XRD图谱，j FTIR光谱，k 拉曼光谱

图4、电化学性能

图5、a SC和GM材料的电导率；b 传统SC和多孔GM复合电极的EIS Nyquist图；c b的EIS拟合数据表；d传统SC和e多孔GM复合电极在0.05C时的GITT电压曲线；f准开路电压（QOCV）和闭路电压（CCV）在Li2S成核和Li2S活化点的电位差点直方图；g传统SC和h多孔GM复合电极的CV曲线，范围为0. 1-1.1 mV-s-1；i 传统SC和多孔GM复合电极的b差异点；j SC和GM电极的峰值1和k峰值2阴极电流作为其相应的扫描速率平方根的函数；l 0.5C速率下的GCD曲线和传统SC和多孔GM复合电极在0.1 mV-s-1扫描速率的CV曲线

图6、GM/S电极的低倍率和高倍率SEM图像，a，b在循环前，c，d在100次循环后；e-h对应d的元素图谱图像；i GM/S电极的XPS分析及其j Ti 2p和k S 2p核心水平的高分辨率光谱；l GM/S电极在第10次循环后的XPS分析及其m Ti 2p和n S 2p核心水平的高分辨率光谱。使用284.8 eV的C 1s峰对结合能进行了校准，紫色圆圈和实线分别代表实验和整体拟合光谱。

小结

本文采用凝胶法设计的GM气凝胶作为锂硫电池正极材料显示出优异的应用优势。基于GO和Ti3C2Tx MXene纳米片的3D多孔结构可以有效地形成导电网络，使锂离子能够快速扩散和电子转移。特别是，Ti3C2Tx的极性界面可以通过Ti-S相互作用有效地锚定LiPSn，从而提高Li-S电池的性能。因此，所制备的GM电极电池已在0.1C下测试了近9个月，提供了1255.62 mAh·g−1的高初始容量，并在硫负载量为2 mg·cm−1的450次循环后保持615.7 mAh·g-1，表现出高可逆容量、优异的循环稳定性和长循环寿命。本工作阐述了一种新型的具有多功能催化吸附的高效锂硫电池独立凝胶材料，为开发高性能锂硫电池提供了新的方向

文献：https://doi.org/10.1007/s12598-023-02272-6