基於MXene特性構建複合硫正極的最新進展

      隨著風能、潮汐能、太陽能等清潔可持續能源的廣泛開發，這些可再生能源產生的電能需先存儲再進行供應，這就需要開發高能量密度的電池系統。鋰硫（Li-S）電池由硫正極（容量為1675mAh·g-1）和鋰金屬負極（容量為3860 mAh·g-1）組成，其理論能量密度高達2600 Wh·kg-1或2800 Wh·L-1，有望為大型可攜式設備供電。

      Li-S電池基於硫到硫化鋰（Li2S）的轉化反應，該反應涉及硫正極的多步電化學氧化還原過程，並伴有固-液-固三相轉變。放電過程中固態S8分子被還原成長鏈多硫化鋰(LiPSs)並溶解在電解液中(Li2Sn, 4<n<8);然後長鏈的LiPSs被還原為短鏈的不溶性Li2S2和Li2S。但這種特殊的反應機制引發了一系列的問題:

      (1)硫及其放電產物Li2S的電化學絕緣嚴重阻礙了電子在硫正極上的轉移，從而影響硫的利用。此外，不溶性和絕緣性的Li2S不可控地沉積在導電電極材料上，阻止了後續的化學反應。

   (2)硫的密度變化較大(2.03 vs. 1.66 g·cm-3)，在完全放電的狀態下，硫的體積膨脹率為80%。這種反覆的體積變化會導致結構損壞和集流體上活性材料的脫落，從而導致容量急劇下降。

      (3)轉化反應的滯後動力學和充電產物多硫化鋰（Li2Sn，4 <n <8）在電解質中的溶解引起穿梭效應，從而導致活性物質的損失。

      為了解決上述問題，研究人員通過物理或化學相互作用將活性硫限制在納米結構的導電基體材料中。

      基於此，研究人員將各種碳質材料（包括多孔碳、石墨烯、碳布和納米管）、功能化聚合物和金屬氧化物/硫化物作為硫正極的基體材料，從而改善硫正極的導電性、減緩體積膨脹並抑制多硫化物的穿梭。

      二維(2D)過渡金屬碳化物/氮化物(MXenes)具有黏土狀的結構，通式為Mn+1Xn (其中M對應於早期過渡金屬，如Ti、Mo；X對應於碳原子或氮原子，表面官能團主要有（−F、−Cl、−O和−OH)。由於MXenes良好的理化特性，世界上50個國家的750多所機構都致力於這些新的二維材料的研究。自2011年以來，已經有30多種MXene被合成，並且被廣泛地應用於能源、生物醫學、催化、器件和傳感器等領域。MXenes具有獨特的物理和化學性質，如高電導率 (2400 S·cm-1)、較好的柔韌性、高機械強度、超高的比表面積和表面官能團，這使得MXenes成為潛在的硫正極基體材料。北京航空航天大學 楊樹斌教授課題組在英文刊Tungsten上在線發表題目為「Harnessing the unique features of MXenes for sulfur cathodes」的綜述文章，該文從以下幾個方面對用於硫正極的MXenes的研究進展進行了系統地綜述：（1）MXenes對增強硫正極的物理相互作用；（2）利用MXene在硫正極上化學吸附LiPS：利用官能團或修飾的活性位點來錨定多硫化物並抑制多硫化物的穿梭；（3）利用MXenes在硫正極上進行多硫化物轉化催化：改善多硫化物轉化催化的動力學，進一步提高倍率性能。最後本文對MXene在改進硫正極方向上的未來發展進行了思考和展望。