Concurrent realization of dendrite-free anode and high-loading cathode via 3D printed N-Ti3C2 MXene framework toward advanced Li–S full batteries

材料科学 阳极 阴极 多孔性 多硫化物 电化学 电极 枝晶(数学) 纳米技术 电解质 化学工程 复合材料 电气工程 化学 几何学 数学 物理化学 工程类
作者
Chaohui Wei,Zhaodi Fan,Lianghao Yu,Yingze Song,Xianzhong Yang,Zixiong Shi,Menglei Wang,Ruizhi Yang,Jingyu Sun
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:41: 141-151 被引量:121
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.05.030
摘要

The practical implementation of Li–S battery has been equally hampered by uncontrollable dendritic growth at the anode and inferior high-loading performance at the cathode. It is therefore desirable to explore multifunctional host candidate coupled with advanced fabrication technique to concurrently modulate both electrodes. Herein, we propose a versatile 3D printed (3DP) framework comprising nitrogen-doped porous Ti3C2 MXene (N-pTi3C2Tx) that is competent in regulating dual electrodes of Li–S batteries. Such a 3DP scaffold possesses hierarchical porosity, high conductivity, as well as ample nitrogen sites to synergize lithiophilic-sulfiphilic feature. Serving as a dendrite inhibitor, 3DP N-pTi3C2Tx interlayer could dissipate the local current and homogenize Li deposition, accordingly rendering a dendrite-free anode to maintain an ultralong lifespan up to 800 h at 5.0 mA cm–2/5.0 mAh cm–2. Meanwhile, the 3DP N-pTi3C2Tx host enables suppressed polysulfide shuttle and accelerated sulfur electrochemistry especially under elevated sulfur loadings. Thus-printed Li–S full cells (3DP N-pTi3C2Tx/S||3DP N-pTi3C2Tx@Li) can continuously operate over 250 cycles at a sulfur loading of 7.56 mg cm–2, accompanied by a capacity decay of 0.06% per cycle. More impressively, an ultimate capacity of 8.47 mAh cm–2 is harvested after 60 cycles at 12.02 mg cm–2.
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