异构结构:结构和热力学见解以及在超稳定的硫电池中的应用

科学领域:

• 材料科学 材料科学 材料科学
• 电化学 电化学 电化学
• 纳米技术纳米技术

背景情况:

• 硫 (Li-S) 电池由于聚硫化物穿效应和缓慢的转换动力学,因此周期稳定性不佳.
• 现有的解决方案往往无法充分解决电子运输和聚硫化物管理问题.
• 莫特-肖特基异构结构提供了通过内置电场改善催化站点和电子传输的潜力.

研究的目的:

• 构建和研究MXene@WS2异构结构用于Li-S电池分离器修改.
• 阐明异构结构内置电场在增强聚硫化物转换和电池性能方面的作用.
• 用修改的分离器来评估Li-S电池的电化学性能.

主要方法:

• 用于分离器修改的MXene@WS2异构的现场热水生长.
• 使用紫外光电光谱学 (UPS) 和紫外可见散反射光谱学 (UV-Vis DRS) 进行表征.
• 密度函数理论 (DFT) 计算用于研究电子结构和反应动力学.
• 使用修改分离器的Li-S电池的电化学测试,包括循环稳定性和高硫负载测试.

主要成果:

• 证实了MXene@WS2异构结构的形成,具有明显的能量频段差异.
• DFT计算显示了增强的电子转移,改善了阴极反应动力学,并减少了聚硫化物转换的能量障碍.
• 热力学研究表明MXene@WS2在聚硫化物吸附方面具有优越的稳定性.
• 带有MXene@WS2修改分离器的Li-S电池实现了高特异性容量 (1613.7 mAh/g在0.1 C) 和卓越的循环稳定性 (在2 C的2000个循环中每循环衰减0.0286%).
• 在0.3°C的240个循环后保持了60.0%的容量,硫含量高6.3mg/cm2.

结论:

• MXene@WS2异构结构有效地减轻了穿效应,并增强了Li-S电池中的聚硫化物转化.
• 在异构结构内内置的电场对于改善电化学动力学和循环稳定性至关重要.
• 这项工作证明了MXene@WS2修改分离器在开发高性能和持久性Li-S电池方面的巨大潜力.