碳化钛类MXene 基材料在锂硫电池中的应用研究进展

刘广森, 曹 俊, 牛志强

(1. 山东理工大学材料科学与工程学院, 山东 淄博 255000; 2. 南开大学化学学院, 天津 300110)

随着全球对能源需求的不断高涨, 高能量密度、高容量的储能器件已经成为能源领域关注的焦点[1-2]. 锂硫(Li–S) 电池因其具有超高的理论容量(1 675 mAh/g) 和能量密度(2 600 Wh/kg), 被视为解决能源短缺的最具发展潜力的新型储能器件之一[3-5]. 但锂硫电池实现商业化仍面临一系列的问题[6-8]: ①硫单质及其在放电过程中产生的中间产物多硫化锂几乎不导电, 导致电池电化学反应过程十分缓慢; ②中间产物多硫化锂易溶于有机电解液, 导致活性物质损失, 且多硫化锂会穿过隔膜到达电池另一极, 发生穿梭效应, 影响电池的循环稳定性; ③由于硫与硫化锂的密度差别较大, 在完全锂化后锂硫电池的体积膨胀率约为80%, 这会使得电池结构受到严重破坏, 导致电池性能下降. 如何解决多硫化物的穿梭效应以及电化学反应动力学缓慢的问题是目前锂硫电池研究的焦点, 因此设计对多硫化锂具有强化学吸附能力以及加速其转化动力学的材料是提升锂硫电池倍率性能及循环寿命的关键[9-10]. 另外, 负极锂不均匀的沉积会产生锂枝晶现象. 高活性的锂与电解质反应形成固体电解质界面(solid electrolyte interface, SEI) 膜, 而固体电解质膜会对锂金属起到一定的保护作用. 可溶多硫化锂会发生穿梭效应, 达到隔膜负极一侧, 并与负极锂发生不可逆的氧化还原反应生成Li2S, 这将会破坏锂金属表面的固体电解质膜, 造成锂枝晶的生长, 严重影响锂硫电池的性能并引发安全事故.

目前, 构筑锂硫电池复合正极以及对隔膜的功能层改性是改善锂硫电池性能研究中的最常用手段[11-13]. 近年来, 表现出良好的多硫化物催化转化性能, 同时具有高导电性、高比表面积、极性的二维材料(MXene、VS2、MoS2等), 已成为理想的锂硫电池修饰材料[14-17]. 二维层状过渡金属碳(氮) 化物(MXene) 具有导电性好、比表面积大、纳米片层可控制备及层间距可调等一系列优点, 同时具有类似石墨烯的片层结构、良好的表面活性, 能够吸附多硫化锂且易于复合其他材料, 因而成为锂硫电池修饰材料的研究热点[18-20]. 碳化钛类MXene 因其合成方法及条件较为简单, 在近年的研究中被广泛应用.

本工作首先总结了碳化钛MXene 材料在锂硫电池中应用的优势, 重点归纳了碳化钛MXene 及其复合材料在锂硫电池正极和隔膜修饰中的应用研究进展, 最后分析了锂硫电池未来的研究方向, 并对碳化钛MXene 基材料在锂硫电池应用中面临的挑战作出了展望.

1 碳化钛MXene 基材料

MXene 是2011年发现的一种二维纳米材料[19,21-22], 由于具有类似石墨烯的层状结构,被冠以-ene 词尾. MXene 在储能及构建柔性电极中得到了广泛的应用, 包括锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、锂硫电池等[23-27].

碳化钛MXene 材料在锂硫电池的应用中具有以下优势:

(1) 碳化钛MXene 具有窄带隙半导体的特性, 导电性高, 在锂硫电池电化学反应过程中,能改善硫正极的导电性, 加速电子的快速传输, 有利于活性物质硫的充分利用, 提高锂硫电池在高倍率电流密度下的性能[24].

(2) 碳化钛MXene 表面的羟基末端基团可以与多硫化锂形成硫代硫酸盐基团[28-29], 且其表面的亚稳态Ti 原子由于路易斯酸碱相互作用与多硫化物中的S 形成Ti—S 键, 这均有利于减少穿梭效应带来的活性物质损失, 提高锂硫电池的循环寿命.

(3) 碳化钛MXene 具有类石墨烯的结构, 能够可控组装为三维宏观体, 且三维MXene 结构能够提高硫的负载量, 并能够为硫转化为硫化锂过程中的体积变化提供缓冲空间.

(4) 锂离子在负极不均匀的沉积会导致锂枝晶的产生, 而碳化钛MXene 端部基团为亲锂基团, 具有丰富的成核位点使锂能够均匀沉积, 避免锂枝晶的生长, 降低锂硫电池的短路风险.

(5) 碳化钛MXene 结构多样, 具有高表面活性, 因此能够很轻易地对其进行结构的调整、表面改性以及与其他化合物的复合[30-31], 能够同时结合其他材料的优点, 这为改善锂硫电池的性能提供了更多可能.

2 碳化钛MXene 基材料在锂硫电池正极中的应用

除了传统的将活性硫封装到多孔碳基质中的方法外, 越来越多的研究致力于使用对多硫化锂具有化学吸附和催化作用的极性纳米材料来抑制穿梭效应. 具有高导电性和丰富表面官能团的MXene 成为固定多硫化锂的首选宿主材料. 根据MXene 在锂硫电池正极中的具体作用方式, 可分为结构优化MXene、化学改性MXene 及MXene 复合物在锂硫电池正极中的应用进行讨论.

2.1 结构优化MXene

MXene 片层间存在的范德华力和氢键作用力容易引起片层的团聚. 采用传统的材料复合方法制备的电极, MXene 会大量团聚, 从而造成层间离子传输孔道不连续、活性材料利用率低等问题, 影响电池的电化学性能. 因此, 要获得理想的MXene 基硫负载材料, 则需对其结构进行设计. 目前的结构设计方法主要是构筑三维/多孔结构MXene 基材料或对MXene 进行层间填充[32-34]. 张永光课题组[35]通过喷雾干燥和化学蚀刻策略制备了分级多孔MXene 微球, 在喷雾干燥过程中, 使MXene 纳米片上原位形成表面氧化层(见图1), 再通过简单的化学腐蚀选择性去除MXene 片层上的Ti—O 键以产生大量不饱和Ti 位点, 同时形成规整的层状多孔结构. 层状多孔结构有效抑制了材料的堆叠并缓解了充放电过程的体积膨胀, 同时提供了快速的物质-电荷传输. 采用该材料为正极的电池在充放电倍率0.2 C 下具有1 205.9 mAh/g 的高放电容量和优异的倍率性能, 即使在硫负载提高至6.1 mg/cm2的情况下, 该正极仍然表现出优异的电化学性能.

图1 3D e-Ti3C2 微球在锂硫电池中的作用机制[35]Fig.1 Mechanism of 3D e-Ti3C2 microspheres in lithium sulfur batteries[35]

吕伟课题组[36]通过单向冷冻干燥法制备了MXene 与碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)三明治结构组成的气凝胶材料(见图2). MXene/CNT/MXene 夹层的薄片结构对多硫化锂形成多个物理屏障, 再加上MXene 对多硫化锂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的穿梭. 基于该电极的锂硫电池在7 mg/cm2的高硫负载量下可提供712 mAh/g的高比容量以及出色的循环稳定性.

图2 PA-MXene/CNT 为基体、Li2S6 溶液为阴极的锂硫电池原理图[36]Fig.2 Schematic of Li—S batteries with PA-MXene/CNT as hosts and Li2S6 solution as catholyte[36]

周光敏课题组[37]将滴铸法制备的MXene 膜作为集流体应用于负载硫碳复合活性材料,进一步通过水热法得到了多孔MXene 复合二氧化钛材料包覆于活性材料表面, 组成了三明治结构的柔性锂硫电池正极(见图3). 该结构使用MXene 膜取代铝箔作为集流体, 避免了因弯折而造成了活性物质的脱落, 且顶层多孔结构的MXene/TiO2能够有效吸附多硫化锂, 有利于锂离子的迁移, 该柔性电极组装的锂硫电池展现出优异的循环稳定性和柔性, 弯折500 次,95% 的容量保持率.

图3 Ti3C2Tx 柔性薄膜作为集流体、TiO2/H—Ti3C2Tx 作为包覆层的锂硫电池原理图[37]Fig.3 Schematic of flexible Li—S batteries using the Ti3C2Tx film as the current collector and TiO2/H—Ti3C2Tx as the coating layer[37]

2.2 化学改性碳化钛MXene

对MAX 相材料进行刻蚀是制备相应MXene 的常用方法, 这会使制得的MXene 片层的表面具有—F、—O 和—OH 等官能团. 这些官能团可以被化学改性, 提高MXene 在锂硫电池中的性能. 耿建新课题组[38]将共轭微孔聚合物(conjugated microporous polymer, CMP) 原位生长于功能化的MXene 纳米片上, 得到了CMP 共价接枝MXene 的二维夹层状复合材料,并将该材料作为硫宿主用于锂硫电池(见图4). 通过不同扫描速率下的循环伏安测试和硫化锂沉积实验, 发现了MXene 组分对提升硫正极反应动力学的贡献. 基于长循环前后正极极片形貌的表征, 证明了CMP-MXene 中共价接枝形成的二维夹层结构提高了正极材料的机械性能, 避免了在充放电过程中电极的粉化.

图4 CMP-MXene 作为阴极时各种硫物种的转换过程示意图[38]Fig.4 Schematic of the conversion processes of various sulfur species found in the cathodes that were prepared from the CMP-MXene[38]

张永政课题组[39]在MXene 表面均匀接枝介孔碳制备了二维异质结构复合材料OMC-g-MXene. 接枝的介孔碳不仅可以防止MXene 纳米片的堆叠, 还能增强材料的机械性能, 并提供促进离子扩散的促进泵. 暴露的富含缺陷的异质结构通过和多硫化物之间的化学相互作用抑制多硫化物穿梭, 从而同时提高电了化学转化动力学和效率(见图5). 基于该电极的锂硫电池在0.2 C 时经过200 次循环后, 比容量仍高达966 mAh/g, 即使在贫电解质下硫负载量高达7.08 mg/cm2时, 仍可获得4.5 mAh/cm2的面积容量.

图5 以OMC-g-MXene 为硫宿主的锂硫电池示意图[39]Fig.5 Schematic of Li—S batteries using the OMC-g-MXene as the hosts[39]

胡方圆课题组[40]通过亲核取代的方法调控MXene 的表面末端官能团,选用厚朴酚单体作为亲核试剂用于改性Ti3C2Tx表面化学性质, 减少—F 端基, 生成更多具有强吸附和催化转化作用的C—Ti—O 官能团, 并使Ti3C2Tx表面出现双键官能团从而与硫发生聚合而起到共价键合固硫的作用(见图6). 改性后的MXene 材料对多硫化锂的吸附能力增强, 且硫化锂的析出/溶解能垒降低. 基于该正极的锂硫电池在0.1 C 下初始比容量为1 319 mAh/g,在较高硫载量(7.2 mg/cm2) 和较低电解液/硫比(8.2µL/mg) 条件下, 其面积比容量为7.68 mAh/cm2.

图6 M-Ti3C2Tx-S 在锂电池中的吸附-催化多硫化物机理[40]Fig.6 Adsorption-catalytic polysulfides mechanism with M-Ti3C2Tx-S in Li—S batteries[40]

2.3 碳化钛MXene 基复合物

2.3.1 碳化钛MXene/碳复合材料

目前, 构建锂硫电池正极的材料仍主要集中在碳基材料, 如多孔碳、碳纳米管以及石墨烯等[41-44]. 但非极性碳材料与硫及多硫化物之间的作用方式主要是物理吸附, 作用力强度较弱,不利于电极对硫及多硫化物的固定, 故电池的能量密度及循环性能仍有提高的空间. 将具有极性的MXene 和碳材料进行复合, 可构建物理吸附和化学键合作用共存的复合电极用以提高电池的电化学性能.

李存璞课题组[45]将还原氧化石墨烯(graphite oxide, GO) 与MXene 进行复合, 制备了一种三维网状结构的气凝胶复合材料, 用作锂硫电池的正极材料(见图7). 石墨烯的三维网状结构提高了材料的导电性, 形成的分级多孔通道促进了锂离子转移, 有利于吸附/催化转化多硫化锂的同时, 溶解的多硫化锂还可以通过化学吸附被快速捕获. 基于该电极的锂硫电池在0.5 C 下每个循环的容量衰减率为0.048%, 即使在S 负载量4.88 mg/cm2、0.2 C 的条件下也可实现4.3 mAh/cm2的面积容量.

图7 GO@d-MXene 的制备过程[45]Fig.7 Illustration of synthesis of GO@d-MXene[45]

邹儒佳课题组[46]将碳纳米管与MXene 复合形成了一种球笼结构复合物, 其中原位合成的硫纳米颗粒均匀分散于球笼结构中, 有效提高了硫的利用率(见图8). 碳纳米管在球笼中组成的高导电网络可以加速电子、离子的传输, 提高反应动力学速率. 薄层MXene 极大地提高了表面基团的利用率, 并有效吸附多硫化物. 基于该电极的锂硫电池在充放电倍率0.1 C 时获得了1 375.1 mAh/g 的高比容量, 在8.0 C 的超大倍率下, 仍有557.3 mAh/g 的可逆容量.

图8 S-CNT@MXene 阴极在锂硫电池中的电化学反应示意图[46]Fig.8 Schematic illustration of the electrochemical reaction of S-CNT@MXene cathodes in a working Li—S cell[46]

肖助兵课题组[47]则是利用自催化作用在MXene 层间原位形成碳纳米管的方式得到MXene/CNTs 复合材料, 该复合材料具有较好的电解液浸润性和连续的三维离子、电子传输通道(见图9). 研究表明, 合成的MXene-CNTs/S 电极在7.2 mg/cm2的高硫负载下可以同时实现7.8 mAh /cm2的面容量和1 147 mAh/cm3的体积容量.

图9 MXene-CNTs/S 电极在充放电过程中硫物种转化示意图[47]Fig.9 Schematic illustration of the conversion of sulfur species during charge/discharge processes for Ti3C2Tx-CNTs/S electrode[47]

2.3.2 碳化钛MXene/金属化合物复合材料

相比于碳材料所提供的物理吸附, 金属氧化物、硫化物以及部分过渡金属化合物等采用化学键合方式对多硫化锂进行吸附更能有效抑制电池充放电过程的穿梭效应[48-49], 还能提供对多硫化锂转化的催化作用. 因此, MXene 与金属化合物的复合材料也是锂硫电池宿主材料的研究热点.

李丽波课题组[50]使用水热方法将CeO2与MXene 进行复合, CeO2增大了MXene 的层间距, 增大层间距后的MXene 对多硫化锂具有良好的物理吸附能力并在其层内在CeO2的催化下进行快速的氧化还原反应. Ce 和Ti 元素具有协同作用, 可对多硫化锂进行化学吸附并加快电化学反应, 大幅改善锂硫电池性能(见图10). 基于该电极材料的锂硫电池在0.5 C 时得到了1 051.1 mAh/g 的比容量, 且经过200 个循环后, 容量仍能保持在921.9 mAh/g.

图10 S/CeO2/MXene 阴极反应示意图[50]Fig.10 Schematic illustration of S/CeO2/MXene cathode reaction[50]

李运勇课题组[51]制备了具有界面内电场(boundary internal electric field, BIEF) 的多功能SnS2-MXene 异质结构复合材料(见图11). 他们通过密度泛函理论(density functional theory, DFT) 计算表明, MXene 中的Ti 原子容易失去电子, 而SnS2中的S 原子容易获得电子, 在Mott-Schottky 的影响下, SnS2-MXene 异质结形成自发的BIEF, 导致电子从MXene流向SnS2, 因此SnS2表面容易与更多的多硫化锂结合. 在界面BIEF 的影响下, SnS2能够更好地吸附多硫化锂, 且该界面提供快速的锂离子和电子转移通道, 降低了Li2S 成核/分解势垒.

图11 SnS2-MXene 的合成过程和机理示意图[51]Fig.11 Schematic illustration of the synthesis processes and mechanism of SnS2-MXene[51]

许运华课题组[52]将CoSe2纳米粒子与MXene 复合, 与硫单质形成核壳结构(见图12),所制备的CoSe2纳米粒子存在立方和斜方等多种晶系. 斜方晶系CoSe2对多硫化锂具有更强的吸附能力, 而立方晶系则加快了Li2S2转化为Li2S 的过程. 修饰的MXene 纳米片制备硫球模板, 可以防止纳米片的聚集, 暴露更多的活性位点并产生较强的电催化效应, 从而改善反应动力学和电池性能. S@MXene-CoSe2电极在0.5 C 经过1 000 个周期的长循环后仅有每个循环0.06% 的容量衰减率.

图12 S@MXene 与S@MXene-CoSe2 在MXene 纳米片堆叠方面的差异[52]Fig.12 Differences in MXene nanosheet stacking for S@MXene and S@MXene-CoSe2[52]

表1 简明总结了MXene 基复合金属化合物在锂硫电池正极中应用的催化机理. 作为锂硫电池正极硫宿主材料的共同特点为: ①具有较大的比表面积和丰富的孔洞结构, 以具备高的硫负载量; ②能够与多硫化锂发生化学键合作用, 抑制穿梭效应的发生; ③对多硫化锂具备一定的催化转化作用; ④具有良好的导电能力, 保证在电化学过程中具备良好的电子传输能力.

表1 MXene 基复合金属化合物在锂硫电池正极中应用的机理Table 1 Mechanism of MXene-based composite metal compounds in the positive electrode of lithium sulfur battery

3 碳化钛MXene 基材料在锂硫电池隔膜中的应用

3.1 修饰电池隔膜

相比于精细复杂的锂硫电池正极材料结构的设计, 隔膜修饰被认为是一种工艺简单、可大批量制备的策略, 对解决锂硫电池的问题具有同样的效力. 麦立强课题组[53]制备了MXene-MOF 的二维异质层状结构并将该材料作为隔膜的功能层(见图13). 在这种双功能复合结构中, MXene 纳米片提高了材料的导电性, Co-MOF 的引入提高了复合材料对多硫化物的吸附, 有效地防止了MXene 纳米片堆积造成的表面积损失, 且二价钴离子与三价钴离子之间的转换使得该材料对多硫化锂具有较强的催化作用. 结果表明, 由于协同效应, 基于功能隔膜的电池不仅在0.5 C 下具有1 255 mAh/g 的放电容量, 而且具有优异的循环稳定性(在2 C下循环600 次, 容量保留率为94.4%). 在7.5 mg/cm2的硫负荷下, 电池在0.2 C 下的放电容量为1 096 mAh/g, 表现出良好的循环稳定性. 基于该功能层的聚丙烯(polypropylene, PP)隔膜展现出优异的柔性(见图14).

图13 Ti3C2Tx-CoBDC 的锂硫电池工作机理[53]Fig.13 Working mechanism in lithium-sulfur battery illustration of Ti3C2Tx-CoBDC[53]

图14 Ti3C2Tx-CoBDC@PP 隔膜在不同应力下的力学性能[53]Fig.14 Digital photos of Ti3C2Tx-CoBDC@PP separator under various stresses[53]

唐少春课题组[54]通过原位生长Fe-MOFs 及气相硒化过程, 制备了Fe3Se4/FeSe@MXene 异质界面新型催化剂, 该催化体系中, MXene 不仅提高导电性, 而且促进了多硫化物吸附. 多价态的铁离子对多硫化锂具有较好的催化能力, 且Fe3Se4/FeSe@MXene 界面上的电子转移促进了键合, 增强了对多硫化锂的吸附和催化能力. Fe3Se4/FeSe@MXene 异质结构产生的内置电场加速了硫化锂的成核和沉积过程(见图15).

图15 Fe3Se4/FeSe@MXene 的锂硫电池工作机理[54]Fig.15 Working mechanism of Fe3Se4/FeSe@MXene lithium—sulfur battery[54]

王思哲课题组[55]采用超声辅助液相剥离法制备了硫化钼与MXene 的复合材料, 并将其修饰于商业化隔膜用于锂硫电池. 硫化钼与MXene 形成独特的交替插层结构具有丰富的可供锂离子传输的通道, 实现了锂离子在负极侧的均匀沉积. 同时, 硫化钼对多硫化锂具有较强的化学吸附和物理吸附能力, 且经电化学测试证明该复合材料能够有效降低S8和Li2S的成核和分解势垒. 基于该功能化隔膜的锂硫电池, 在0.2 C 时展现出1 263.84 mAh/g 的初始容量, 在1 C 下循环700 次后, 容量保持率为58.7%, 每个循环衰减仅为0.059%. 将Fe3Se4/FeSe@MXene-PP 隔膜组装Li–S 电池, 其表现出优异的倍率能力和循环稳定性.

Bae Joonho 课题组[56]将脱氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid, DNA) 接枝到碳纳米管上, 进一步与MXene 复合得到用来修饰PP 隔膜的复合材料, 由于三者的协同作用, 该复合材料不仅具有吸附以及催化多硫化锂的能力(见图16), 并且表现出高耐温性以及阻燃性. 基于该材料的隔膜电池可以在25∼100◦C 工作, 且都具有较为不错的性能, 即使在75◦C 的高温下, 循环200 周后也仍然能保持79% 的比容量(见图17). 表2 简明总结了MXene 基复合金属化合物在锂硫电池隔膜中应用的催化机理.

表2 MXene 基复合金属化合物在锂硫电池隔膜中应用的机理Table 2 Mechanism of MXene-based composite metal compounds in the separator of lithium sulfur battery

图16 锂硫电池多功能DNA-CNT/MXene/PP 隔膜[56]Fig.16 Multifunctional DNA-CNT/MXene/PP separator in Li—S battery[56]

图17 PP 和DNA-CNT/MXene/PP 电池在不同温度下的电化学稳定性[56]Fig.17 Electrochemical stability of PP and DNA-CNT/MXene/PP batteries at various temperatures[56]

3.2 用作电池中间夹层

锂硫电池中间夹层得到了广泛的研究. 中间层的物理或化学吸附以及催化作用可以改善锂硫电池的电化学性能. 因此, 具有良好导电性、高吸附能力和高催化活性的MXene 材料有望作为中间层构建高性能的锂硫电池[57-59].

张辰课题组[60]通过静电吸附作用制备了硅藻土与MXene 复合材料并用于锂硫电池的中间夹层(见图18). 硅藻土自身具有丰富的孔隙结构与硅羟基基团, 能够改善MXene 的堆叠. 复合材料夹层对多硫化锂较强的吸附作用和转化动力学催化作用有效抑制了多硫化锂的穿梭效应. 结果表明, 基于夹层的锂硫电池在1.0 C 下具有1 031 mAh/g 的初始容量, 在1.0 mg/cm2的硫负载下具有稳定的循环性能, 且在高达6.0 mg/cm2的高硫负载下, 200 次循环后仍具有稳定的循环性能.

图18 DE/MX 合成示意图及DE/MX 中间层对多硫化锂的调控过程[60]Fig.18 Schematics of the synthesis of DE/MX and regulation process of LiPSs on the DE/MX interlayer[60]

张永光课题组[61]设计了氧掺杂MXene@ 碳纳米管材料用于柔性锂硫电池性能的改善, 该夹层具有很高的柔性, 且富氧的MXene 表面对多硫化锂具有很强的锚定作用以及催化转化作用. 基于该柔性夹层的柔性锂硫电池在经过30 次循环后(硫负载量6.7 mg/cm2, 电解质/硫比为6.0 mL/g), 提供了5.2 mAh/cm2的优异面容量(见图19).

图19 O-Ti3C2@CNF 中间层在Li—S 电池中的机理示意图[61]Fig.19 Mechanism schematic illustration of the O-Ti3C2@CNF interlayer in the Li—S cell[61]

宋浩杰课题组[62]通过真空抽滤的方法制备了MXene 膜, 然后通过化学气相沉积方法在MXene 膜表面原位生长了TiS2/TiO2异质层夹层(见图20). TiO2可作为吸附剂固定多硫化锂, TiS2可作为催化剂对多硫化锂进行催化转化, 且MXene 膜的高导电性进一步加快了硫化锂的转化过程. 因此, 基于该中间夹层的锂硫电池表现出稳定的长期循环性能(在1 C 下循环500 次后, 容量约保持在76.1%).

图20 TOS/MX/TOS 中间层对多硫化锂捕获、扩散和转化的示意图[62]Fig.20 Schematic illustration of capture, diffusion and conversion of LiPSs by the TOS/MX/TOS interlayer[62]

用于修饰隔膜或作为中间层的材料的共同特点如下: ①对多硫化锂具有较强的吸附能力,避免可溶性多硫化锂穿过隔膜发生穿梭效应; ②对多硫化锂具备良好的催化转化作用; ③具备丰富的可供锂离子传输的孔道; ④具有良好的导电能力, 保证在电化学过程中具备良好的电子传输能力.

表3 为不同宿主材料的电化学性能. 可以看出, 大部分材料的硫负载量在1.0 mg/cm2以上时具备良好的循环性能, 且MXene@SnS2在电解液质量浓度较低(15 mg/L) 时, 在1 C 的电流密度下循环500 次仍然能够达到82.7% 的容量保持率. 这归因于硫化物的催化转化作用和化学锚定作用, 以及SnS2-MXene 异质结形成自发的界面内电场. 这为之后的研究提供了新的思路.

表3 不同宿主材料的电化学性能Table 3 Electrochemical properties of different host materials

4 总结与展望

由于MXene 具有良好的导电性、结构多样性, 以及对多硫化锂的高化学吸附、对多硫化锂转化的高效催化作用, 被认为是构建高性能锂硫电池的最具前途的候选材料之一. MXene的导电性可以提高硫的利用率, 结构的多样性有利于适应高硫负载, 对多硫化锂的强化学吸附可以有效抑制穿梭效应, 催化作用有利于提高电化学动力学速率. 基于这些优点, 当MXene 用于正极或者隔膜修饰和夹层材料时, 有利于实现锂硫电池的高容量、长循环寿命和良好的倍率性能. 此外, 通过化学改性和结构控制, 以及与其他材料(如碳、金属氧化物) 的复合, 可以进一步提高MXene 的电化学性能. 虽然MXene 在锂硫电池中的应用研究已经取得了一些进展,但基于MXene 的锂硫电池的开发仍处于初级阶段. 由于MXene 与多硫化锂的相互作用以及影响因素的复杂性, MXene 对多硫化锂的吸附和催化机制的基础研究是一项富有挑战性的任务. 此外, 关于MXene 新物种的开发以及改善锂硫电池在低温、高温状态下的性能的研究目前较为欠缺.

本工作总结了碳化钛MXene 在锂硫电池应用的优势, 重点归纳了碳化钛MXene 及其复合材料在锂硫电池正极和隔膜修饰中的应用研究进展. 针对于碳化钛MXene 基材料在锂硫电池应用中的挑战, 未来的研究应着眼于: ①设计开发轻质、高导电性的MXene 基硫正极载体,提高硫负载量及电极孔体积, 降低非活性成分, 提高锂硫电池比能量; ②研究MXene 基材料在锂硫电池充放电过程穿梭效应的抑制机制, 实时检测反应的动态变化, 揭示电极结构和性能之间的构效关系, 为电极的优化和电池性能的提升提供理论依据; ③开发MXene 基自支撑结构锂硫电极, 避免导电剂和黏结剂的使用, 结合贫电解液体系, 提高MXene 基锂硫电池的能量密度; ④改善锂硫电池在高温或低温下的性能.

综上所述, MXene 基材料在锂硫电池的应用中具有十分广阔的前景, 研究其吸附和催化多硫化锂的机理, 通过化学改性和表面工程来提高其性能, 以及探索具有高稳定性和良好电化学性能的新型先进MXene 是提高锂硫电池电化学性能的重点研究方向. 这些发展将使MXene 在构建高性能锂硫电池方面展现出更多的机会和可能.