成果简介
锂硫电池因具有高比容量和能量密度而备受青睐，但其应用仍受到多硫化物 “穿梭效应 ”和反应动力学缓慢的限制。本文，青岛大学刘晓敏 教授、Timing Fang，浙江大学Chunlei Wei等研究人员在《Ind. Eng. Chem. Res》期刊发表名为“Heterostructures of MXene and Graphene as Cathode Hosts Improving Anchoring and Reaction Dynamics for Li–S Batteries”的论文，研究采用不同的二氧化二烯-石墨烯异质结构作为硫阴极宿主，并通过第一性原理模拟研究了其电化学性能。
与单一的 MXene 或石墨烯成分相比，异质结构中的MXene侧能更有效地锚定多硫化锂并抑制穿梭效应。然而，更重要的是，Ti2CS2-石墨烯异质结构能更有效地促进放电过程中的硫还原反应，并降低充电过程中Li的扩散阻力/Li+2S 的分解阻力，这有利于改善Li-S电池的迟滞动力学。这项研究表明，Ti2CS2-石墨烯异质结构可用作潜在的阴极宿主，并为锂-S电池阴极宿主的设计提供了理论指导。
图文导读
图1. (a) Ti2CO2-石墨烯、(b) Ti2CS2-石墨烯、(c) Nb2CO2-石墨烯和 (d) Nb2CO2-石墨烯异质结构的电子密度差图以及层间距离和巴德尔电荷转移（等值面 = ±0.0005 au；绿色区域表示电子耗尽，黄色区域表示电子积聚）。
图2. 吸附在 (a) 石墨烯、(b) Ti2CO2、(c) Ti2CO2-G 的石墨烯侧和 (d) Ti2CO2-G 的 MXene 侧的 S8/Li2Sn 物种的优化配置。
图3. 吸附在 Ti2CO2石墨烯异质结构不同面上的 S8/Li2Sn 物种的结合能。
图4. 吸附在 (a) 石墨烯、(b) Ti2CO2、(c) Ti2CO2-G 的石墨烯侧和 (d) Ti2CO2-G 的 MXene 侧的 S8/Li2Sn 物种的电子密度差图（S8 的等距面 = ±0.0003 au，Li2Sn 的等距面 = ±0.003 au；绿色区域表示电子耗尽，黄色区域表示电子积累）。
图5. 吸附在不同 MXene 基异质结构上的 S8/Li2Sn 物种的结合能。
图6. (a) 异质结构表面锂的扩散能垒和 (b) 扩散路径。以 Ti+2CS2 石墨烯为例，为了更清晰地显示，未显示底部石墨烯。
小结
在这项研究中，我们利用三氧化锡（Ti2CO2、Ti2CS2、Nb2CO2 和 Nb2CS2）和石墨烯构建了异质结构作为阴极寄主，并通过第一原理模拟研究了它们对锂-S 电池电化学性能的影响。
首先，通过比较基于 Ti2CO2 的异质结构和单一 Ti2CO2/ 石墨烯组分的锚定能力，发现 Ti2CO2 石墨烯异质结构的 MXene 侧比异质结构的石墨烯侧、石墨烯或 Ti2CO2 单层能更强地锚定锂离子电池并抑制穿梭效应。
因此，所有不同的 M-G 异质结构都表现出了对锂离子电池良好的锚定能力，从而有效地抑制了穿梭效应。但更重要的是，与单一的 MXene 成分相比，M-G 异质结构在放电-充电过程中具有显著的催化作用差异。在放电反应中，由于 Ti2CS2 石墨烯异质结构对锂离子电池的锚定强度适中且均衡，因此对 SRR 的催化效果更好，ΔGRLS 最低（0.443 eV）。同时，与单一的 Ti2CS2 MXene 相比，Ti2CS2-石墨烯异质结构在充电过程中极大地促进了 Li2S 的分解（Edecompose 为 0.185 eV）和 Li 的扩散（E+diffusion 为 0.187 eV），有利于充电动力学。这也是由于基于 Ti2CS2 的异质结构对 Li2S 的锚定强度温和适中，且 S 端基团更有利于 Li 的扩散。
综上所述，在有效抑制穿梭效应的前提下，Ti2CS2-石墨烯异质结构对充放电动力学具有更优异的促进作用，可作为锂-S 电池理想的阴极寄主。这项研究可为设计理想的锂-S电池阴极宿主提供有价值的指导。
文献:https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c02029
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
