近日，国际知名学术期刊ACS Nano以“Ordered mesoporous carbon grafted MXene catalytic heterostructure as Li ion kinetic pump toward high-efficient sulfur/sulfide conversions for Li-S battery”为题，在线报道了化工学院功能碳材料研究团队在锂硫电池方面的新进展。
锂硫电池的高能量密度（2600Wh/kg）等优势使其在军、民等高端领域具有广阔的应用前景，成为继锂离子电池之后最具发展潜力的电化学储能体系之一。锂硫电池的充放电过程涉及多步氧化还原电化学反应和固-液相转化，其中可溶性多硫化锂在充放电过程中发生“穿梭效应”是导致活性硫利用率低、炭黑/硫正极长循环容量不断衰减的主要原因。
MXenes是继石墨烯之后又一种新兴二维材料，具有电导率高、活性位点丰富、表面化学性质可调等优势。因MXenes二维纳米片之间存在强范德华力，容易重组和堆叠，进而不利于电解液的渗透和离子的扩散。对此，功能炭材料研究团队基于MXenes独特的二维纳米结构，在其两侧生长介孔碳，构筑了一种介孔碳-MXenes-介孔碳“三明治”结构的二维多孔材料，其异质界面具备高电导率、强化学吸附位点等特点。当该材料用作PP隔膜涂层时，炭黑/硫正极展现出优异的电化学性能：高硫利用率（0.2 C电流密度，循环200次，可逆循环容量仍达966 mAh g-1）、长循环寿命（1C电流密度，循环800次，容量衰减率仅为0.047%/次）和高倍率性能（5 C，537 mAh g-1）。采用原位Raman等分析表征手段，揭示了碳-碳异质界面、MXenes的强化学位点等对可溶性多硫化锂的物理阻挡-化学吸附-催化转化作用机制。该研究对促进锂硫电池的商业化进程具有重要意义。
在国家自然科学基金的资助下，该研究由化工学院的李响博士研究生、苏州纳米技术与纳米仿生研究所的关青华硕士研究生共同完成。功能碳材料研究团队的詹亮教授和德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士为该论文的通讯作者；同时，该研究得到张永正博士后和凌立成教授的悉心指导。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11663