我院院长唐少春教授、南大孟祥康教授团队在商业锂硫电池隔膜改性提升方面取得进展

多硫化物的穿梭效应和缓慢的反应动力学是当前锂硫（Li-S）电池发展的主要障碍。近日，南京大学唐少春教授、孟祥康教授团队开发出一种由内含不饱和金属位点超薄 Ni-Co MOF和导电Ti₃C₂T_x纳米片 (Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF) 构成的新型2D/2D异质结构，涂覆商业隔膜后实现了锂硫电池性能的大幅提升。该成果以“Synergistic Adsorption-Electrocatalysis of 2D/2D Heterostructure toward High Performance Li-S Batteries”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135535），论文第一作者是南京大学现代工程与应用科学学院在读博士研究生任逸伦，通讯作者是唐少春教授、孟祥康教授和助理研究员马玉洁。

基于协同吸附-电催化，改性隔膜不仅能有效抑制多硫化物的溶解并促进其转化，还能加速电子/离子的转移。密度泛函理论结果进一步证实，异质结构对多硫化物具有很强的吸附能，其转化能垒较低。将异质结构Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF改性的商业隔膜用于Li-S电池，在0.2C条件下表现出1260 mAh g^-1的可逆容量；在0.5 C下充放电循环350次容量保持率为91.1%的出色循环稳定性。硫负载量为5.8 mg cm^-2，E/S为4 uL mg^-1时，电池依然保持稳定的高容量。

图文解析

图1. 2D/2D Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF异质结构的合成流程及微观结构示意图。

图2. a) Ti₃C₂T_x的SEM和d) TEM图；b) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的SEM和e)TEM图；c, f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的HAADF-STEM图像及相应的元素分布；g) SEM图和h)横截面SEM图；i) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP隔膜在不同形变情况下的数码照片。

图3. a) FTIR光谱，b) XRD图谱和c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和 Ni-Co MOF的XPS表面图谱；d, e) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的高分辨C 1s和O 1s XPS图谱；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x的高分辨率Ti 2p。

图4. a)添加Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和Ni-Co MOF 2 h后Li₂S₆溶液的紫外-可见吸收光谱及对应数码照片；b)扫描速率为10 mV s^-1时对称电池的CV曲线；c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆的高分辨率Ti 2p XPS光谱；d) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF的高分辨率Co 2p和e)Ni 2p XPS光谱；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF-Li₂S₆和Li₂S₆的高分辨率S 2p XPS光谱；g-i) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF、Ti₃C₂T_x和CP的恒电位放电曲线。

图5. a) S₈、Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S₂和Li₂S在Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF上吸收的优化配置；b) 硫化物与Ti₃C₂T_x、Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF 表面之间的结合能；c)在Ti₃C₂T_x、Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF表面上从S₈到Li₂S放电过程的相对自由能；d) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP的放电/充电过程示意图。

图6. a) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP、Ti₃C₂T_x@PP和PP的穿梭电流曲线；b)第一圈的CV曲线；c) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@P在不同扫描速率(0.1-0.5 mV S^-1)下的CV曲线；d) 使用PP、Ti₃C₂T_x@PP和Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP隔膜的Li-S电池的循环性能(0.2 C)和e)倍率性能；f) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在不同倍率下的恒电流充放电曲线；g) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在0.5 C和1C下的长期循环性能；h) Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP在0.1 C下的电化学性能，S负载量约5.8 mg cm^-2，E/S比为 4 μL mg^-1。插图是Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF@PP 组装的Li-S电池供电的LED照片。

总结与展望

总之，本研究成果报道了一种用于改性提升锂硫电池商用隔膜的二维/二维Ti₃C₂T_x/Ni-Co MOF异质结构材料。基于超薄Ni-Co MOF和Ti₃C₂T_x纳米片的协同作用，有效提高了LiPSs的吸附和催化效果。具有丰富不饱和金属位点的超薄Ni-Co MOFs能锚定LiPSs并促进其转化，而Ti₃C₂T_x纳米片的高电导率提供大量电子加速了反应动力学。这项工作为高性能长循环寿命锂硫电池商用隔膜的开发提供了一种新思路和技术手段。

该工作得到了国家自然科学基金（51771090），江苏省重点研发计划（BE2020684），中央高校基本科研业务费专项资金（14380163）的联合支持。

文献来源

Ren Y, Zhai Q, Wang B, et al. Synergistic Adsorption-Electrocatalysis of 2D/2D heterostructure toward high performance Li-S batteries. Chemical Engineering Journal, 439, 2022, 135535.

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135535