【电池】昆士兰大学王连洲团队最新AEM：N，S共掺杂三明治状超薄TiS2纳米片助力锂硫电池

成果简介

作为过渡金属二硫化物中最轻的一种，二维TiS₂纳米片在储能和转化方面具有很大的吸引力。然而，由于超薄TiS₂纳米片的堆积和氧化趋势很强，单到多层TiS₂纳米片的可靠可控合成具有挑战性。

近日，昆士兰大学王连洲团队首次报道了通过原位多巴胺辅助硫化工艺将Ti₃C₂T_x Mxene成功转化为N，S共掺杂多孔碳（TiS₂@NSC）约束的三明治状超薄TiS₂纳米片。在锂硫电池中，TiS₂@NSC作为硫宿主时，对锂多硫化物具有很高的捕获能力。将TiS₂@NSC与棉源碳纤维结合在一起的自支撑硫电极在0.1 C下循环100圈后具有5.9 mAh  cm^-2的容量。7.7 mg cm^-2的高硫负载量使TiS₂@NSC成为最好的多硫化锂吸附剂之一。

图文速览

原位多巴胺辅助硫化工艺将Ti₃C₂T_x Mxene成功转化为N，S共掺杂多孔碳（TiS2@NSC）约束的三明治状超薄TiS2纳米片的原理图及其作为双功能硫宿主在锂硫电池中的应用。TiS2@NSC可以捕获多硫化锂并催化加速多硫化锂的转化。

通过XRD，拉曼光谱，场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）对得到的TiS2@NSC，TiS2-C和Ti3C2Tx纳米片进行了分析。

作者研究了TiS2@NSC，NSC和NSC与TiS2-C混合物对多硫化锂的吸附性能和电化学性能。上图（a）表明TiS2@NSC与多硫化锂的亲和力显著增强。从电化学阻抗，倍率性能以及循环性能结果表明TiS2@NSC具有更低的内阻，更好的倍率性能以及更加优异的循环稳定性。

为了进一步提高硫的利用率，进而提高面积容量，作者设计了以棉基碳纤维为载体的TiS2@NSC三维集电器（TiS2@NSC@CFS）。

硫负载为5.3 mg cm−2的S/TiS2@NSC@CFs的初始容量为5.6 mAh cm−2（1045 mAh g−1）。当硫负载进一步增加到7.7 mg cm−2时，初始容量达到7.9 mAh cm−2（1025 mAh g−1）。

与之前报道的其他金属硫化物相比，本研究中基于TiS2@NSC的LSB在高硫利用率、良好的循环稳定性和优越的区域容量方面显示出综合优势。

全文总结

总之，作者发现一种新的方法来合成N，S共掺杂三明治状超薄TiS₂纳米片。TiS₂纳米片表面独特的三明治状结构有利于固定多硫化锂，从而提高硫的利用率。以棉基碳纤维为载体的TiS₂@NSC三维集流体（TiS₂@NSC@CFS）被用于锂硫电池时其具有超高的容量。作者认为这种夹层结构的优良电化学性能为高性能锂硫电池的设计提供了有力的指导。

文献信息

Sandwich-Like Ultrathin TiS₂ Nanosheets Confined within N, S Codoped Porous Carbon as an Effective Polysulfide Promoter in Lithium-Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901872)

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.201901872