清华大学吕伟:碳纳米管复合气凝胶,实现高硫负载的稳定锂硫电池

在高硫负荷下实现长期循环稳定性是锂硫(Li–S)电池实际使用的基本要求。最近,清华大学深圳国际研究生院吕伟副研究员团队通过单向冷冻干燥制备了由Ti3C2Tx MXene/碳纳米管(CNT)三明治组成的层状气凝胶,以提高高硫负荷电池的循环稳定性。由于独特的平行排列结构,所生产的材料被表示为平行排列的MXene/CNT(PA-MXene/CNT)。

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MXene/CNT/MXene夹层的薄片形成多个物理屏障,再加上MXenes的化学捕获和催化活性,有效抑制了高硫负载下的多硫化锂(LiPS)穿梭,更重要的是,大大提高了3D主机的LiPS限制能力不含微孔和中孔。组装好的Li–S电池可提供712 mAh g-1的高容量和7 mg cm-2的硫负荷,以及出色的循环稳定性,在0.5 C的800个循环中,每个循环的容量衰减为0.025%。在10 mg cm-2的电导率下,经过300次循环后,可获得6 mAh cm-2以上的高面积容量。这项工作为合理设计高硫负荷主机提供了一个典型示例,这对于Li-S电池的实际使用至关重要。相关论文以题为Lamellar MXene Composite Aerogels with Sandwiched Carbon Nanotubes Enable Stable Lithium–Sulfur Batteries with a High Sulfur Loading发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

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图1 a)通过单向冷冻干燥的PA-MXene/CNT气凝胶的组装过程示意图。b–e)b)顶视图,c)侧视图和d)PA-MXene/CNT-50气凝胶的高放大倍率的SEM图像,e)RA-MXene/CNT-50气凝胶。f)PA-MXene/CNT-50和RA-MXene/CNT-50气凝胶的N2吸附/解吸等温线。g)用不同的气凝胶进行的静态Li2S6吸附测试的照片。

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图2 a)以PA-MXene/CNT或RA-MXene/CNT为主体,Li2S6溶液为阴极的Li-S电池示意图。b)使用PA-MXene/CNT-50和RA-MXene/CNT-50的电池的额定性能。c)PA-MXene/CNT-50在1.7至2.8 V(vs Li /Li)之间的电池的充电/放电曲线。d)PA-MXene/CNT-50和RA-MXene/CNT-50在0.2 C下的电池的充电/放电曲线。e)PA-MXene/CNT-50和RA-MXene/CNT的电池的循环伏安图 在0.1 mV s-1时为-50。f)C2峰值电流与LiPSs到Li2S2/Li2S阴极还原过程的扫描速率平方根的关系图。g)具有PA-MXene/CNT-50和RA-MXene/CNT-50的电池的循环性能。

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图3 a–c)a)PA-MXene/CNT-25,b)PA-MXene/CNT-75和c)PA-MXene气凝胶的俯视SEM图像,插图是放大倍数较高的图像。d)不同PA-MXene/CNT和PA-MXene气凝胶的XRD图谱。e)SSA和气凝胶中CNT重量百分比之间的关系。f)Li2S6阴极电解质的吸附能力和不同气凝胶的孔体积。g–j)使用g)PP,h)PA-MXene/CNT-25,i)PA-MXene/CNT-50和j)PA-MXene/CNT-75气凝胶作为隔板,测量H细胞中的多硫化物渗透率。

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图4 a,b)在不同硫含量下,在0.5和1 C下,具有不同MXene含量的PA-MXene/CNT电极的容量。c,d)在0.5 C下硫负载为7和10 mg cm-2的PA-MXene/CNT-50电极的循环性能。e)与最近使用PA-MXene/CNT-50电极的面容量和硫负载的比较 报告了锂电池。

参考文献:

doi.org/10.1002/adfm.202100793

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