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由于正極材料硫具有高理論比容量、豐富的自然儲(chǔ)備、低成本和環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，鋰硫電池被認(rèn)為是最有前景的下一代能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用導(dǎo)電碳質(zhì)材料作為硫主體來構(gòu)造硫正極的傳統(tǒng)方法中，由于低極性碳和高極性LiPS之間的相互作用弱，碳基材料提供的物理隔離和物理吸附對(duì)抑制電池容量衰減的作用有限，特別是對(duì)于高載硫電極。此外，碳基材料和LiPS的親和性差也阻礙了有效的界面電荷轉(zhuǎn)移并減緩了硫物種的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。而且，大量低振實(shí)密度碳的存在，極大地犧牲了電池的體積能量密度。設(shè)計(jì)一種具有高導(dǎo)電性和豐富暴露活性位點(diǎn)的硫主體材料以替代導(dǎo)電碳，以獲得高的面積和體積容量具有重要意義。

在國家自然科學(xué)基金（21601191，21673241, 21471151)）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB20000000）、福建省自然基金（2018J01030）的資助下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王瑞虎課題組采用海藻酸鈉誘導(dǎo)的化學(xué)鍵裁剪策略，提出基于MXene的Ti₃C₂T_x（T_x代表表面官能團(tuán)）納米點(diǎn)-散布的Ti₃C₂T_x納米片（TCD-TCS），以實(shí)現(xiàn)在高硫負(fù)載條件下活性物質(zhì)硫的限域固定和轉(zhuǎn)化。TCD-TCS中豐富的表面極性位點(diǎn)增強(qiáng)了電極的結(jié)構(gòu)完整性，不含碳基材料和導(dǎo)電添加劑使得正極材料具有高振實(shí)密度。TCD-TCS/ S電極在1.8mg cm^-2的中等載硫量下表現(xiàn)出幾乎理論的放電比容量。在13.8mg cm^-2的高硫負(fù)載下，同步實(shí)現(xiàn)超高容量（1957mAh cm^-3）和高面積容量（13.7mAh cm^-2）。放電過程中硫析出機(jī)理研究表明了基于MXene的納米點(diǎn)和納米片的集成在Li-S電池中的重要性。上述工作發(fā)表于ACS Nano（Ultrafine Ti₃C₂ MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano, 2019, 13, 3608–3617）。論文的第一作者為助理研究員肖助兵。

此前，肖助兵等以提高鋰硫電池面積容量和體積容量為研究目標(biāo)，采用未加入任何碳導(dǎo)電添加劑的花狀多孔Ti₃C₂T_x(FLPT)基正極系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋰硫電池面積容量和體積容量的雙重提高（ACS Nano, 2019, 13, 3404-3412）。此外，先后采用高導(dǎo)電過渡金屬硫化物（TiS₂和NbS₂）作為添加劑應(yīng)用在鋰硫電池正極以提高電池面積容量和大電流放電容量（Energy Storage Mater. 2018, 12, 252-259；ACS Nano 2017, 11, 8488-8498；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 18845-18855）。并采用水熱法得到還原氧化石墨烯/硫化釩（rGO/VS₂）復(fù)合材料應(yīng)用于三元硫正極體系中，制備得到具有密堆積三明治結(jié)構(gòu)的rGO/VS₂-S正極材料，實(shí)現(xiàn)了體積能量密度的大幅提升（Adv. Energy Mater. 2018, 7, 1702337）。

高能量密度鋰硫電池研究取得進(jìn)展