【摘 要】
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锂硫电池具有理论能量密度高(2600Wh kg-1)、成本低和环境友好等优点,被认为是最有前途的储能系统之一。然而,锂硫电池仍然存在硫电子导电率低、可溶性多硫化物导致的“穿梭效应”以及硫正极的体积膨胀等问题尚待解决。因此,探究具有高容量和优异循环稳定性的锂硫电池仍是当前广大研究人员的研究热点。本文基于极性MXene(Ti_3C_2Tx)材料,将氧化石墨烯(GO)和导电聚合物分别插入MXene片层构
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锂硫电池具有理论能量密度高(2600Wh kg-1)、成本低和环境友好等优点,被认为是最有前途的储能系统之一。然而,锂硫电池仍然存在硫电子导电率低、可溶性多硫化物导致的“穿梭效应”以及硫正极的体积膨胀等问题尚待解决。因此,探究具有高容量和优异循环稳定性的锂硫电池仍是当前广大研究人员的研究热点。本文基于极性MXene(Ti3C2Tx)材料,将氧化石墨烯(GO)和导电聚合物分别插入MXene片层构建三维储硫载体。此外,本文还采用了新颖的光协同氮掺杂策略用于制备高性能锂硫电池正极。具体内容如下:(1)通过溶液自组装法将GO和Ti3C2Tx按不同的配比来构建层状结构(GO/Ti3C2Tx),用温和的抗坏血酸还原后直接用于锂硫电池正极。还原的GO(RGO)的插层有效地抑制了 Ti3C2Tx纳米片的堆叠,使其表面更多的金属活性位点得到充分利用,在增大样品比表面积的同时促进了锂离子/电子的快速传输以及对多硫化物强烈的吸附作用,并且还能充分容纳充放电过程中正极的体积变化。结果表明,GO和Ti3C2Tx以1:3的比例组装获得最佳电化学性能,其负载硫后(RGO/Ti3C2Tx@S)在0.1C的电流密度下,初始放电比容量最高达1210 mAhg-1,循环200圈后,放电比容量保持在989 mAhg-1,容量保持率为81.7%。(2)通过改进的液相浸渍法实现GO对Ti3C2Tx的插层构建三维“三明治”结构,并利用自主设计的光协同装置在NH3氛围下对样品进行光照还原及氮原子的掺杂(N-RGO/Ti3C2Tx)。氮原子的引入不但增加了复合材料的导电性,而且还实现了大量的缺陷和活性位点,从而提高了对多硫化物的化学吸附能力。得益于独特的“三明治结构”和氮原子的修饰,N-RGO/Ti3C2Tx@S复合正极在0.1C的电流密度下,初始放电比容量高达1360 mAhg-1,循环200圈后,放电比容量保持在1180 mAh g-1容量保持率为86.8%。(3)通过原位氧化聚合苯胺单体形成聚苯胺涂层对Ti3C2Tx@S进行包覆来实现对多硫化物的双功能化化学吸附机制。其中Ti3C2Tx通过路易斯酸碱反应形成强烈的Ti-S键来吸附多硫化物,同时聚苯胺涂层中存在的氮原子通过其孤对电子与多硫化物产生键合来进行有效吸附。得益于该双功能化化学吸附机制,PANI/Ti3C2Tx@S复合正极在0.1C的电流密度下初始放电比容量达到1082.3 mAh g-1循环200圈后,放电比容量保持在892.4 mAh g-1容量保持率为82.5%。
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