S@Ti3C2Tx三明治结构正极实现高性能铝硫电池

上海交通大学魏良明教授课题组制备了一种S@Ti₃C₂T_X三明治结构材料。以该材料为正极的铝硫电池在300 mA g⁻¹表现出高达489 mA h g⁻¹的初始容量，循环280次后仍可保持415 mA h g⁻¹，其库伦效率~95%。该方法为铝硫电池的发展提供了新策略。

铝硫二次电池是一种具有高能量密度、廉价原材料、有前途的替代储能装置，其理论能量密度可达1340 W h kg⁻¹。然而, 硫作为正极在电池充放电过程中易发生转变，形成多硫化合物和硫化物。这些中间产物聚硫化物在正负极间的往复迁移引起穿梭效应，使硫的利用率下降，循环稳定性变差。因此，铝硫电池发展的当务之急是设计新的电极材料。 

上海交通大学魏良明教授课题组制备了一种无粘合剂的S@Ti₃C₂T_x三明治结构材料。该材料由三部分组成，薄膜的上下表面由Ti₃C₂T_x构成，中间部分为S@Ti₃C₂T_x。其中中间部分通过纳米S在Ti₃C₂T_x中原位化学沉积获得。二维层状材料Ti₃C₂T_x不仅具有粘结剂和导电剂的功能，而且是一种很有前途的硫锚定载体。

Schematic of the fabrication of binder-free S@Ti₃C₂T_x film, pure Ti₃C₂T_x film, and traditional S + Ti₃C₂T_x cathodes for Al-S batteries.

After mixing the Na₂S₄ solution and the delaminated Ti₃C₂T_x suspension evenly, HCOOH solution was added slowly, then nano sulfur was formed in-situ on the delaminated Ti₃C₂T_x flakes. 

作者指出，与以往报道的以石墨烯为分隔层的策略不同，该材料的独特之处在于保护层与S@Ti₃C₂T_x直接叠加，从而抑制穿梭效应。通常聚合物粘结剂在电池中是一种非活性组分，即增加了电极质量又降低了电池的能量密度，此外还非常容易与离子液体产生副反应。该工作制备的无粘结剂的薄膜仅需要过滤和干燥过程即可得到最终电极材料，无需额外粘结剂，导电介质和有毒的有机溶剂。此外，他们还利用密度泛函理论模拟了多硫化合物在Ti₃C₂T_x和石墨烯表面的吸附过程，揭示了Ti₃C₂T_x的独特优势，并提出了以S@Ti₃C₂T_x三明治结构材料为正极的铝硫电池充放电反应机理。

基于S@Ti₃C₂T_x膜的铝硫电池在300 mA g⁻¹时显示出初始容量为489 mA h g⁻¹，并在280圈稳定循环后保持415 mA h g⁻¹，平均库仑效率约为95%。该薄膜的容量和稳定性均高于采用浆料涂覆法制备的S + Ti₃C₂T_x正极（初始容量为3 1 7 mA h g⁻¹，循环1 6 0 圈后衰减为222 mA h g⁻¹）。S@Ti₃C₂T_x膜在铝硫电池中的容量主要来源于S²⁻和S之间的可逆氧化还原反应。

Electrochemical performance diagram

(a) Rate performances of S@Ti₃C₂T_x film, S + Ti₃C₂T_x, and Ti₃C₂T_x film cathodes from 200 to 500 mAg⁻¹. (b) Cycling performances of S@Ti₃C₂T_x film, S + Ti₃C₂T_x, and Ti₃C₂T_x film cathodes at 300 mAg⁻¹. 

 这种新颖的二维材料与可控的电极结构设计相结合的方法为铝硫电池的发展提供了新思路。

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Binder-free S@Ti₃C₂T_x sandwich structure film as a high-capacity cathode for a stable aluminum-sulfur battery. Xiao Zheng, Zhilong Wang, Jinjin Li and Liangming Wei. SCIENCE CHINA Materials. https://doi.org/10.1007/s40843-021-1913-4