Construction of Ultrathin Layered MXene-TiN Heterostructure Enabling Favorable Catalytic Ability for High-Areal-Capacity Lithium–Sulfur Batteries

异质结 材料科学 催化作用 阴极 电化学 化学工程 锂(药物) 电解质 降级(电信) 纳米技术 光电子学 电极 化学 冶金 电子工程 物理化学 内分泌学 工程类 医学 生物化学
作者
Hao Wang,Zhe Cui,Shuang He,Jinqi Zhu,Wei Luo,Qian Liu,Rujia Zou
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (1) 被引量:64
标识
DOI:10.1007/s40820-022-00935-0
摘要

Catalysis has been regarded as an effective strategy to mitigate sluggish reaction kinetics and serious shuttle effect of Li-S batteries. Herein, a spherical structure consists of ultrathin layered Ti3C2Tx-TiN heterostructures (MX-TiN) through in-situ nitridation method is reported. Through controllable nitridation, highly conductive TiN layer grew on the surface and close coupled with interior MXene to form unique 2D heterostructures. The ultrathin heterostructure with only several nanometers in thickness enables outstanding ability to shorten electrons diffusion distance during electrochemical reactions and enlarge active surface with abundant adsorptive and catalytic sites. Moreover, the (001) surface of TiN is dominated by metallic Ti-3d states, which ensures fast transmitting electrons from high conductive MX-TiN matrix and thus guarantees efficient catalytic performance. Calculations and experiments demonstrate that polysulfides are strongly immobilized on MX-TiN, meanwhile the bidirectional reaction kinetics are catalytically enhanced by reducing the conversion barrier between liquid LiPSs and solid Li2S2/Li2S. As a result, the S/MX-TiN cathode achieves excellent long-term cyclability with extremely low-capacity fading rate of 0.022% over 1000 cycles and remarkable areal capacity of 8.27 mAh cm-2 at high sulfur loading and lean electrolytes.
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