Building flexibly porous conductive skeleton inlaid with surface oxygen-dominated MXene as an amphiphilic nanoreactor for stable Li-S pouch batteries

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作者
Yusen He,Yan Zhao,Yongguang Zhang,Zongke He,Guihua Liu,Jingde Li,Chunyong Liang,Qiang Li
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:47: 434-444 被引量:65
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.02.006
摘要

The severe polysulfides shuttling, sluggish conversion kinetics and uncontrollable growth of lithium dendrites greatly restrict the progress of lithium-sulfur (Li-S) battery. Guided by first-principles calculations, in this work, a porous carbon nanofiber with an oxygen-dominated Ti3C2 MXene nanosheet (denoted as O-Ti3C2@CNF) is designed and synthesized as an all-purpose interlayer for the Li-S system. The oxygen-functionalized strategy is achieved by stepwisely controllable surface modifications and moderate oxygen regulation, forming an oxygen-rich MXene surface. On the one hand, the MXene and porous carbon nanofiber collaboratively construct a 3D conductive scaffold, which renders strong physical/chemical affinity and fast reaction kinetics toward sulfur species. On the other hand, the O-Ti3C2@CNF enables the high-flux Li diffusion and achieves the dendrite-free Li anode due to its 3D architecture with abundantly lithophilic active centers. Based on the abovementioned merits, a practical, flexible Li-S pouch battery was assembled by employing a symmetrical interlayer design, which delivered an excellent areal capacity of 5.2 mAh cm−2 over 30 cycles (under the conditions of sulfur loading up to 6.7 mg cm−2 and electrolyte to sulfur ratio of 6.0 mL g−1). The symmetrically designed interlayer as amphiphilic membrane nanoreactor may inspire the material engineering in practical Li-S pouch cells.
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