如今，柔性、可穿戴電子的快速發(fā)展，迫切需要兼具優(yōu)異機械柔性和高能量密度的可充電電池。南京工業(yè)大學楊建教授和瑞士聯(lián)邦理工學院聯(lián)邦材料科學技術(shù)研究所張傳芳博士研究團隊通力合作，制備出了具有出色柔韌性、可以經(jīng)受頻繁彎曲的Ti?C?Tx/S導電紙，將它直接用作鋰硫電池復合正極，獲得了較高的放電容量和超低容量衰減率，在柔性、可穿戴電子和織物領域展現(xiàn)出了良好應用前景。日前，相關成果發(fā)表在Advanced Functional Materials(先進功能材料)上。

　　鋰硫電池(Li-S)以其具有高能量密度、成本低、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點，引起了人們的極大興趣。開發(fā)出可以經(jīng)受頻繁彎曲的柔韌正極是設計面向下一代智能電子的柔性Li-S電池的關鍵。然而，單質(zhì)硫的絕緣特性、可溶性中間產(chǎn)物多硫化鋰(Li?Sx)的穿梭效應(即電池的正極材料——活性物質(zhì)硫的損耗)和充放電過程中硫的體積膨脹(膨脹到一定程度會讓電池“爆掉”)導致Li-S電池的循環(huán)性能較差、活性物質(zhì)利用率低，嚴重制約了Li-S電池的發(fā)展和應用。

巴豆酸,石墨粉,硫酸氫鈉,二氧化氯消毒劑,食品級氫氧化鈣

　　楊建教授介紹，前期，他們研究團隊制備出了S@Ti?C?Tx復合漿料電極，并發(fā)現(xiàn)MXene通過其表面的–OH化學吸附Li2Sx并進一步原位形成亞硫酸鹽保護層，從而有效抑制了Li2Sx的溶解和穿梭，展現(xiàn)了MXene在固硫、實現(xiàn)長程穩(wěn)定性鋰硫電池方面的巨大潛力(Advanced Science, 2018, 5(9): 1800502)。

　　“最近，我們又采用干法氣相蒸鍍的思路，制備出了具有出色柔韌性、可以經(jīng)受頻繁彎曲的Ti?C?Tx/S導電紙，闡明了Ti?C?Tx的固硫機制，將其直接用作Li-S電池無粘結(jié)劑正極，獲得了在1C電流密度循環(huán)1500圈后970 mAh g-1的比容量，和每圈0.014%的超低容量衰減率。并且基于Ti?C?Tx/S導電紙，首次制備出了軟包半電池和Ge-S全電池原型器件，展現(xiàn)出在智能電子和織物領域的良好應用前景。”論文第一作者、南京工業(yè)大學李文龍碩士說。

　　李文龍介紹，以Ti?C?Tx為代表的MXene是一類新的二維過渡族金屬碳(氮)化物，具有優(yōu)異導電性、強的極性和獨特表面化學環(huán)境，是作為硫的載體構(gòu)筑長壽命、高能量密度、超柔性Li-S電池復合正極的新型理想材料。

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　　楊建研究團隊將剝離的Ti?C?Tx (d-Ti?C?Tx膠態(tài)懸浮液，通過真空抽濾，制得了具有出色柔性的Ti?C?Tx導電薄膜;進一步通過簡單的化學蒸鍍，使非晶態(tài)的S均勻錨接在納米片的表面，從而制得了柔性的無粘結(jié)劑Ti?C?Tx/S導電紙。Ti3C2Tx/S導電紙可以正反大幅度彎曲而不出現(xiàn)裂紋，具有和Ti?C?Tx薄膜相似的柔韌性，而且在彎曲/釋放過程和重復彎曲/釋放循環(huán)25次后電導率不發(fā)生變化，展現(xiàn)出在柔性、可穿戴電子領域的良好應用前景。

　　楊建團隊還通過不同循環(huán)周期后電極片的剖析和對比研究，發(fā)現(xiàn)了MXene抑制Li2Sx穿梭的新機制，進一步闡明了固硫的機理：循環(huán)過程中，可溶性Li?Sx首先吸附在極性Ti3C2Tx表面并與MXene表面的–OH和/或–O等含氧官能團相互作用，從而在表面清潔的MXene上形成一薄層亞硫酸鹽，同時裸露的Ti原子也與Li?Sx產(chǎn)生強烈的Lewis 酸基相互作用。隨著循環(huán)過程的進行，硫代硫酸鹽與Li?Sx繼續(xù)反應形成復合硫酸鹽層，同時其厚度逐漸增加，最終形成一層厚的硫酸鹽復合層，從而將Li?Sx限域在其下與裸露的Ti原子相互作用。硫酸鹽復合層作為保護屏障與裸露的Ti原子協(xié)同作用，有效抑制了Li?Sx遷移，顯著提升了硫的利用率和電池的循環(huán)性能，實現(xiàn)了超低的容量衰減。

　　研究團隊進一步基于Ti?C?Tx/S導電紙制備出了柔性軟包Li-S電池，其在彎曲狀態(tài)下表現(xiàn)出較平直狀態(tài)更優(yōu)的電化學性能。采用Ti?C?Tx/S導電紙作為正極，預鋰化的鍺作為負極，首次制備出了Ge-S全電池，并初步表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，展現(xiàn)出在智能電子和織物領域的良好應用前景。柔性軟包的構(gòu)建可以促進柔性電子的發(fā)展，而構(gòu)建全電池則可以為負極材料的選擇提供新的思路，有助于解決工業(yè)化生產(chǎn)和實際應用中金屬鋰負極的安全問題。

來源：中國化工報

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