理论上高能量密度和活性材料的广泛可用性使人们对镁硫(Mg-S)电池的发展产生了极大的兴趣。然而，硫的电子导电性差、活性物质溶解、多硫化物穿梭和循环稳定性差是需要解决的主要挑战。在这里，我们观察到原始的mg单键电池面临着严重的过充电问题，并且在30次循环中电池失效是常见的，并且容量明显衰减。借助XRD和元素作图，发现溶解的液态多硫化物具有亚稳性质。由于分离器的高亲硫性，多硫化物的吸收导致分离器内晶体生长缓慢。这种活性物质的捕获可能是容量快速衰减的原因。我们试图通过在电极和分离器之间引入导电氮掺杂石墨烯(N-gpn)@碳布(CC)中间层来恢复溶解的多硫化物。该夹层具有高多硫化物吸收特性，使电池的初始容量达到1075 mAh g – 1，并将循环稳定性提高到100次循环。然而，通过保护阳极，这种稳定性进一步增强到300次循环。理论分析表明，在所有的多硫化物中，MgS8与N-gpn的相互作用最强，并且在缺陷的N-gpn中最容易被捕获。这提高了活性物质的利用率，提高了循环稳定性。
图 1. 从上到下的石墨烯片、N-gpn和缺陷N-gpn(配对氮掺杂碳空位)及其相应的优化结构的DFT计算得出的态密度(DOS)。总DOS用黑色和灰色表示。相互叠加的是垂直的p轨道(蓝色)，平面上的p轨道(绿色)和s投影态密度(黄色)。未占用的状态用比填充的状态更浅的颜色绘制。能量零点设在价带的顶端。(b-c)多硫吸附试验目视对比(e)多硫溶液吸附前后拉曼光谱。(f, g)吸附后N-gpn@CC碳、硫的EDX元素图。(对于图例中有关颜色的解释，请参阅本文的网页版本。)
图 2. 电化学研究。(a) LPS@N-gpn阴极(b) N-gpn@CC层间含阴极的电池恒流循环的充放电曲线。(c) LPS@N-gpn和N-gpn@CC含层间阴极电池的循环稳定性比较。(d)含有不同硫负荷的阴极电池N-gpn@CC夹层的循环稳定性。(e) N-gpn@CC层间细胞的CV。(f) N-gpn@CC层间电池在不同放电和充电点的电荷转移电阻。
图3. (a) LPS@N-gpn电池中的原位XRD测量。(b) LPS@N-gpn电池循环分离器在S 2p区域的XPS详细光谱。(c-e)从LPS@N-gpn细胞的循环分离器得到的SEM和相应的EDX元素映射结果。(f) Mgsingle bondS电池在隔板上原位生成结晶多硫化物的示意图。N-gpn@CC细胞100次循环后分离液的死后分析(g) SEM图像(圆圈表示MgxSy晶体)(h, i)对应的EDX元素与Mg和S元素的映射。有和无夹层多硫化物转化动力学评价。(j)有间层或无间层的Mg|LPS@N-gpn电池的PITT测量，电池从1.4 V放电到0.5 V，步进20mv。(k)有间层或无间层的Mg| LPS@N-gpn电池的PITT测量值，电池从1.6 V充电至2.5 V，步进20 mV。
图 4. (a) LPS@N-gpn电池30次循环后Mg阳极的EDX元素图。(b, c) N-gpn@CC夹层的Mg阳极SEM图像(d) Mg侧循环夹层，Mg被捕获。
图 5. 所研究的(a) S8和(b) MgS8在N-gpn和(c)缺陷N-gpn上吸收的结构表示和计算的相互作用能。蓝色球体代表氮原子，黄色球体代表硫原子，橙色球体代表镁离子。灰色六边形代表石墨烯的蜂窝晶格。MgS8在N-gpn和缺陷N-gpn上吸附的电荷密度差异分别见(d)和(e)。(对于图例中有关颜色的解释，请参阅本文的网页版本。)
图 6. (a)原始(b)放电和(c)充电LPS@N-gpn阴极，(d)放电和(e)充电Mg阳极的S2p区XPS详细光谱。在第5次电化学循环中回收了循环后的镁阳极。
相关科研成果由赫尔姆霍兹研究所Dasari Bosubabu等人于2024年发表在Journal of Energy Storage（https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389）上。原文：Reactivation of dissolved polysulfides with nitrogen doped graphene decorated carbon cloth as an effective interlayer for magnesium-sulfur battery
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389
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