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第一作者：Jiang Yuting、Liang Pei
通讯作者：王瑾
通讯单位：南京工业大学
摘要
错综复杂的多硫化锂穿梭和迟缓的电化学转换动力学严重阻碍了锂-S电池的实际应用。分离剂改性已被证明是解决这些问题的有效策略。在此，分层皱褶MXene/MoS2（CM/MoS2）异质结构被用作PP隔膜上的高效离子选择性膜，以同时实现强大的LiPS固定化、高效的催化转换动力学和可行的锂离子扩散。实验和理论结果验证了MXene/MoS2异质结构不仅通过路易斯酸碱相互作用和硫链catenation的结合将LiPSs化学固定化，而且由于锂原子的扩散障碍降低，还能将LiPSs催化转化为Li2S2/Li2S。此外，对LiPSs的排斥性和电解质渗透性的定量评估证实了由于智能孔隙结构和高效的锚定催化位点，CM/MoS2涂层层具有独特的高通量筛选渗透性。因此，CM/MoS2修饰的分离器实现了对多硫化物拦截/转化和Li+扩散的瞬间调节。由于这些独特的优点，采用CM/MoS2改性隔膜的锂-S电池在0.1C时具有1336的高容量，5.5 mA h cm-2的可观面积容量，在2C时具有810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C时具有500次以上的稳定循环性能，每次循环的容量衰减为0.056%。
研究背景
具有高理论比容量和高能量密度的锂硫（Li-S）电池被认为是下一代可充电储能系统最有希望的候选者。然而，锂硫电池的几个内在缺点严重阻碍了其实际应用。除了硫和Li2S固有的低导电性外，溶解的多硫化锂（LiPSs）从阴极到阳极的穿梭是另一个臭名昭著的问题，导致严重的自放电，低能量效率和低循环稳定性。隔膜的功能修饰被证明是一种简便、低成本和成功的技术，可以固定LiPSs并减轻它们的扩散。商用聚丙烯（PP）隔膜在阴阳极之间起着电隔离和离子传输中介的作用。然而，聚丙烯隔膜中的多孔通道对锂离子电池来说也是畅通无阻的，导致硫的利用率低和不利的容量消退。到目前为止，已经探索了各种创新材料作为阻碍性涂层，通过物理限制将LiPSs与纳米结构的碳材料固定在一起，并通过化学吸附将极性材料（如金属氧化物、硫化物、硒化物、碳化物和氮化物）固定下来。-尤其是MXenes，由于其高导电性、对LiPSs的可靠捕获能力以及高效的催化作用，在锂-硫电池的功能化层中显示出良好的应用前景。Li+的扩散速度与电解质中的路径有直观的关系。PP隔膜上的涂层不可避免地阻碍了电解液的渗透，从而减慢了Li+的扩散速度，导致反应动力学迟缓。因此，如何同时调节多硫化物的锚定/转化并结合快速的Li+渗透性是长寿命可充电锂-硫电池的主要瓶颈。受选择性离子筛的多功能性启发，精确构建筛选渗透性分离器极有望克服上述挑战。特别是MXenes，一种新兴的二维金属碳化物和氮化物家族，由于其高导电性、亲水表面、巨大的灵活性和可设计的表面电荷状态，显示出应用于离子隔离膜的潜力。然而，二维MXenes本质上倾向于重新堆积，导致卓越的多硫化物拦截能力，但锂离子传导迟缓。合理设计具有协同结构的异质催化剂被认为是一种有效的方式，可以潜在地整合分离器改性的涂层要求。特别是各种基于MXene的异质结构，包括TiO2-MXene、iCON-MXene和MOF-MXene，已经被开发为功能性隔膜的多功能催化剂，以优化化学结构和孔隙特征，提高锂-硫电池的电化学性能。同时，人们认为多硫化物的拦截能力也容易受到孔隙结构和表面化学的影响。长链多硫化物可以很容易地通过具有大尺寸孔隙的膜，导致不可避免的多硫化物泄漏。因此，高离子选择性隔膜的关键科学挑战是精确构建具有适当结构特征和高离子导电功能的膜。
研究要点
1. 我们提出了一种高效的离子选择性分离器，该分离器的涂层由具有智能孔结构和高效锚定催化位点的分层皱缩MXene/MoS2（CM/MoS2）异质结构组成。
2. CM/MoS2功能分离器可以同时阻止多硫化物迁移达99.68%，并保持与原始PP隔膜相当的电解质渗透性能，即18.8 L m-2 h-1 bar-1。这是第一份定量评估锂-硫电池中功能性隔膜的离子屏蔽渗透性的报告。
3. 受益于多硫化物拦截/转化和Li+扩散的即时调节，在CM/MoS2功能隔膜的帮助下，锂-硫电池在0.1C时提供了1336 mA h g-1的高容量，5.5 mA h cm-2的相当大的面积容量，在2C时提供了810 mA h g-1的出色速率能力，以及在1C时超过500次循环的稳定循环性能，每次循环的容量衰减为0.056%。
研究结论
我们开发了一种具有高效离子选择性的三维分层CM/MoS2膜，可同时调节多硫化物的拦截/转化和Li+的扩散，实现了锂-S电池的竞争性电化学性能。巧妙的CM/MoS2修饰的PP隔膜实现了99.68%的LiPS排斥率和18.8 L m-2 h-1 bar-1的竞争性电解质渗透性能，展示了独特的高通量筛选渗透性。综合实验和理论计算结果验证了强大的LiPS固定化，以及高效的催化转化和Li+扩散动力学。因此，受益于能量属性，带有CM/MoS2功能隔膜的锂-S电池在0.1C时实现了1336 mA h g-1的高容量，5.5 mA h cm-2的可观面积容量，在2C时810 mA h g-1的优秀速率能力，以及在1C时500次以上的稳定循环性能，每次循环的低容量衰减为0.056%。这种策略在即时调控多硫化物拦截/转化和Li+扩散方面是切实可行和有效的。我们的工作为了解锂-S电池的界面化学的评估协议提供了新的启示。
文章链接
A high-throughput screening permeability separator with high catalytic conversion kinetics for Li–S batteries，Yuting Jiang, Pei Liang, Mingjian Tang, Shipeng Sun, Huihua Min, Jiachen Han, Xiaodong Shen, Hao Yang, Dongliang Chao, Jin Wang*, https://doi.org/10.1039/D2TA04592C