Hierarchically structured Ti3C2T MXene paper for Li-S batteries with high volumetric capacity

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作者
Wenli Zhao,Yongjiu Lei,Yun‐Pei Zhu,Qian Wang,Fan Zhang,Xiaochen Dong,Husam N. Alshareef
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:86: 106120-106120 被引量:88
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106120
摘要

Due to the low density of sulfur and the large portion of carbon-based materials used as conducting network and lithium polysulfide (LiPS) host, the practical volumetric energy density of lithium–sulfur (Li–S) batteries barely rivals the Li-ion batteries. Here, MXene (Ti3C2Tx)-based membrane with unique 3D hierarchical structure, high electronic conductivity, abundent active binding sites, fast ion transport, and high affinity for lithium polysulfides has been developed as a new host material to improve the electrochemical performance of Li-S batteries. With a density of 2.2 g cm−3, a MXene-based cathode containing 4.0 mg cm−2 sulfur delivers a high volumetric capacity of 2.7 Ah cm−3 after 200 cycles. Based on operando XRD and ex-situ XPS results, we find that the Ti-OH bonds present on the surface of MXene membrane can effectively trigger the LiPS transformation. Furthermore, α-S8, as the stable charge product, is first reported in MXene-based host along with its possible important role in curtailing active mass loss and enhancing cycling capability. Our results reveal that 2D MXene with rationally-designed architecture enable high volumetric capacity Li-S batteries for practical applications.
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