MXene基锂/硫电池隔膜制备及其抑制多硫化物“穿梭效应”机制研究

As one of the most promising battery systems with high energy density, lithium/sulfur batteries have been hindered by their poor cycling performance. Suppression of the shuttle effect of polysulphides is an effective method to improve the cycling performance of the lithium/sulfur batteries. In this project, based on the research of battery separator, we propose to use MXene materials with Lewis acid-based interaction supplemented by graphene oxides with polar-polar interaction to prepare separator to block the polysulphides diffusion, which could enhance the electrochemical performance of the lithium/sulfur batteries. The research majorly involves the controllable synthesis of MXene/GO separator, the influence and mechanism of the constitution and microarchitecture of the MXene-based separator on suppression of the shuttle effect, and the mechanism of metal-sulfur bonding between the MXene and polysulfide. The research will provide an innovative idea and also theoretical foundation for the design and synthesis of the separator for lithium/sulfur batteries so as to promote its commercial application.

锂/硫电池作为极具应用潜力的高比能量电池体系之一，其较差的循环稳定性极大地限制了它的发展。通过阻碍中间产物多硫化物的“穿梭效应”可以有效地提高锂/硫电池的循环稳定性。本项目从电池隔膜出发，提出使用MXene材料作为新型隔膜材料，以具有Lewis酸相互作用的MXene材料为主，具有极性吸附作用的氧化石墨烯材料为辅，制备MXene/GO的复合型隔膜来阻碍多硫化物扩散，从而提高锂/硫电池的电化学性能。本项目主要研究 MXene/GO复合型隔膜的可控制备、隔膜的组成和微观结构等对多硫化物的穿梭效应的抑制作用的影响规律及其作用机制、MXene材料中过渡金属与多硫化物中硫的成键机制等，从而为锂/硫电池隔膜的设计与制备提供新的思路和理论依据，推动锂硫电池的商业化应用。

锂硫电池作为一种高比能量电池体系，其较差的循环性能极大地限制了它的实际应用。锂硫电池的循环性能受到了硫正极侧产生的中间产物多硫化物的“穿梭效应”影响和金属锂负极侧枝晶生成的影响。针对上述问题，本项目通过利用MXene/氧化石墨烯膜来抑制多硫化物的“穿梭效应”，进而提升锂硫电池循环稳定性。我们探索了MXene/GO隔膜的高效、可靠的制备工艺，可以实现对隔膜微观结构调控，保证了锂离子在隔膜侧的快速传输。研究发现，MXene材料的表面官能团可以对多硫化物进行化学吸附，从而缓解锂硫电池的容量衰减。此外，在制备Ti2C膜的过程中发现其在水相中会氧化成TiO2。当将这种富含缺陷的TiO2与石墨烯材料复合后作为锂/钠离子电池负极材料，可以引入表面赝电容行为，进而提升电极的功率密度和循环性能。为了进一步推动锂硫电池的发展，我们还对硫电极的结构进行了设计。针对高硫负载量电极，开发了多孔碳集流体和水系粘结剂，在二者的协同作用下，硫电极的电化学性能得到了大幅度提升。集流体的多孔结构可以有效增加活性物质与集流体之间的接触面积，提供快速的电子传输通道。粘结剂的优化不仅有利于活性物质的均匀分布，还对循环过程中对多硫化物有限制和捕捉能力。同时，利用MXene/氧化石墨烯膜成功构筑了Li-MXene/rGO的锂金属负极。研究发现MXene表面大量的官能团为Li提供了很好的浸润性和吸附能力，从而使得熔融的Li快速地浸入膜间，并在循环过程中诱导Li原子的均匀沉积。最终实现了2400 h的超长循环。通过本项目的研究，我们获得了具有优异电化学性能的锂硫电池，为实现其实际应用奠定了科学基础。