锂硫电池超高的能量密度（2600Wh/Kg）及环境友好等优势，使其成为继锂离子电池之后最具应用前景的电化学储能体系之一。近日，国际知名学术期刊Advanced Energy Materials以“Controllable Sulfurization of MXenes to In-Plane Multi-Heterostructures for Efficient Sulfur Redox Kinetics”为题，在线报道了化工学院功能炭材料研究团队在锂硫电池隔膜涂层改性方面的新进展。
锂硫电池目前存在的关键问题是：放电过程中，正极单质硫会形成多硫化锂中间产物，而多硫化锂易溶于醚类电解液，且商用聚丙烯隔膜的孔径又远大于多硫离子的动力学直径，导致多硫化锂在充放电过程中必然发生穿梭效应；锂离子与多硫化锂之间的催化反应动力学，又是影响正极单质硫有效利用率、有效载硫量及其电化学性能的关键因素。对此，功能炭材料研究团队设计并合成了Mo2C–MoS2面内二维异质结构以用作隔膜涂层材料，并显著提升了炭黑/硫正极的综合电化学性能。
基于MAX相层间化合物的分子结构特征，先制得二维Mo2C MXene；再以PEO-b-PS嵌段聚合物作软模版，采用分子自组装法在二维Mo2C MXene表面生长介孔SiO2，制得“三明治”结构的介孔SiO2-Mo2C-SiO2；最后通过拓扑转化法并脱除SiO2，即制得Mo2C–MoS2面内二维异质结构。Mo2C–MoS2的异质界面、丰富的缺陷及其内建电场特点，加速了固态硫化锂的均匀沉积与溶解，提高了电子和离子的迁移/扩散速率，并对固态硫化锂、可溶性多硫化锂呈现较高的催化氧化-还原活性，因此通过提高可溶性多硫化锂的催化反应速率和转化效率大幅提升了炭黑/硫正极的长循环容量和大电流倍率性能。其中，当Mo2C–MoS2用作隔膜涂层时，炭黑/硫正极展现出较好的长循环容量（5 C，循环1000次，444 mAh g−1）和大电流倍率性能（0.2 C，1127 mAh g−1；3 C，740 mAh g−1；5 C，642mAh g−1）。
该报道为面内二维异质结构的界面结构设计提供了一种新方法，也为其它MXene基二维材料的结构控制及其在电子、光电子、能量存储和转换等领域中的应用提供参考。
该论文由化工学院李响博士完成，詹亮教授、张永正博士、王艳莉副教授和北京航空航天大学的杨树斌教授为该论文的通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。同时，该论文在材料的结构设计、合成与分析表征方面，得到凌立成教授的悉心指导。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303389