基于3D MXene 纳米结构构筑Li-S电池的正极材料及其电化学性能的研究

The dissolution of the intermediate lithium polysulfides (LiPSs) into the organic electrolyte leads to capacity fast fading and poor lifetime for Li-S batteries. In this project, we are going to construct the positive electrode of Li-S batteries based on the 3D MXene nanostructures. Because MXenes have a high conductivity and react with LiPSs by a Lewis-base interaction, which results in the Ti-S bond formation and benefit to anchor the LiPSs. We first find one or two potential transition metal carbides as host of sulfur by the DFT calculation. Their content and surface structure have to benefit to anchor the LiPSs. We propose their interaction mechanism between the M′n+1CnTx and LiPSs base on the above calculation. We are going to design and successfully synthesize 3D M′n+1CnTx nanostructures including controllable functional groups, hierarchical nanostructures, S/M′n+1CnTx composite nanostructures as positive electrode, investigate their electrochemical performances including effect of the functional groups and nanostructure selves on anchoring LiPSs, establish the relationship between the nanostructure and electrochemical performance, study the interaction mechanism between the host of sulfur and LiPSs. This work could provide an open idea for optimum designing Li-S batteries with high-lifetime and high-capacity.

针对锂硫电池正极充放电产生的多硫化锂(LiPSs)易于在有机电解液中溶解、导致电池容量低和循环性能差等问题，本项目拟基于3D过渡金属碳化物(MXenes)纳米结构构建锂硫电池正极。MXenes具有好的导电性，且与LiPSs具有Lewis酸碱作用，利于锚定LiPSs。采用密度泛函理论探索最有潜力锚定LiPSs的MXenes中成分和表面结构(M′n+1CnTx)，提出M′n+1CnTx与LiPSs间的相互作用机理；设计和合成3D M′n+1CnTx纳米结构包括官能团可控的和分级的纳米结构，合成S/M′n+1CnTx复合纳米结构的正极材料；研究其电化学性能，包括M′n+1CnTx表面上的官能团和构筑的纳米结构对锚定LiPSs的影响；建立结构与性能之间的关系；研究硫载体与LiPSs之间的相互作用机理。这些问题的研究为优化设计高循环性、高容量的锂硫电池提供新方向，为发展高性能锂硫电池奠定坚实基础。

项目针对锂硫电池正极导电性差、硫的利用率低、多硫化合物穿梭效应及充放电产生的多硫化锂(LiPSs)易于在有机电解液中溶解，导致电池容量低和倍率性能差等问题，基于3D过渡金属碳化物(MXenes)纳米结构构建了锂硫电池正极并研究了其电化学性能。实际完成情况如下：利用第一性原理计算，理论上研究了不同表面结构MXenes对多硫化物的锚定的影响，在原子分子层面上揭示了MXenes的结构形成机理；研究了硫正极宿主材料MXenes复合材料的结构设计、合成方法、MXene表面官能团调控及其电化学性能，进而有效地抑制了锂硫电池中多硫化物的溶解、解决了硫利用率低和多硫化合物穿梭效应的问题。代表性关键数据：在0.1 A/g的电流密度下，比容量达到1458 mAh/g，接近其理论比容量1675 mAh/g；在0.8 A/g的电流密度下循环1500圈，每圈平均容量衰减率仅为0.04%。利用MXenes对锂硫电池隔膜进行了改性设计，有效抑制了多硫化物的穿梭效应。代表性关键数据包括在0.2 C的电流密度下展现出1241.4 mAh/g的高放电容量；在0.5 C的电流密度下循环1000次，每圈容量衰减率低至0.03%；对金属锂负极界面进行了设计与优化，有效抑制了活性物质的损耗。Ti3C2Tx/CC 复合材料作为硫的宿主材料的锂硫电池表现出非常好的稳定性 (在1 C下，200圈后容量保持在746.1 mAh/g), 超高倍率性能 (866.8 mAh/g 直到2 C) 和高的能量密度(在0.5 C下，100圈后达564.2 Wh/kg). 上述结果为锂硫电池的正极设计和改善锂硫电池的正极性能提供了研究思路和设计策略，为促进锂硫电池的产业化进程提供一些可供参考的实验数据。截止目前，相关成果已发表标注SCI论文19篇，其中二区以上16篇，申请发明专利2项。在人才培养方面，项目执行期间培养已毕业硕士研究生8名，在读硕士生11名，在读博士生2名，预期目标都已完成。