Nano Energy：石墨烯和碳化钛面内异质结构抑制聚硫化物穿梭

【背景介绍】

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。由于硫元素在地球上的储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点，构成的锂硫电池理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）高，被认为是最有代表性的下一代能源储存设备之一。多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应是阻碍锂硫（Li-S）电池面向实际应用主要的障碍之一。为了改善这一问题，研究人员尝试将硫与碳、导电聚合物或金属基化合物复合，目前已经取得了一些进展。

近日，来自清华大学深圳研究生院的杨全红教授、吕伟副研究员（共同通讯）等人研发了一种由石墨烯和碳化钛(TiC)在隔膜上构筑的面内异质结构，直接利用石墨烯作为模板和碳源，与TiCl4反应并热处理制备。在此过程中，石墨烯部分转变成形成异质结构的TiC，有利于减少锂离子和电子扩散势垒。此外，TiC对LiPSs具有很强的亲和力，导电性高。因此，这种面内异质结构作为隔膜的覆盖层能有效地抑制LiPS的穿梭，从而提高了硫的利用率和循环性能。相关成果以题为“An in-plane heterostructure of graphene and titanium carbide for efficient polysulfide confinement”发表在了Nano Energy上。第一作者为清华大学深圳研究生院硕士生周天红。

【图文导读】

图1石墨烯和碳化钛面内异质结构合成示意图及SEM和TEM图像

图2 G-25％TiC-S（含25%TiC的石墨烯隔膜覆盖层）和G-S（石墨烯隔膜覆盖层）的截面SEM图及100次循环前后G-25％TiC-S中Ti2p轨道的XPS图谱

图3 利用G-25％TiC-S和G-S组装成锂硫电池的隔膜及吸附实验和电化学性能对比

【小结】

该研究团队使用石墨烯作为模板和碳源，通过TiCl₄CVD工艺在隔膜上构建了石墨烯碳化钛异质结构，其中石墨烯被部分地转变到TiC。碳化钛与石墨烯的结合不仅大大降低了Li离子和电子扩散势垒，而且有利于LiPSs的捕获和转化。因此，将这种独特的面内异质结构作为隔膜的覆盖层应用于Li-S电池中，使得电池表现出高比容量及良好的倍率性能这种异质结构的设计不仅提供了一种提高Li-S电池实用性的有效方法，而且在催化、气体吸附和其他储能装置中的有着潜在的应用。

文献链接：An in-plane heterostructure of graphene and titanium carbide for efficient polysulfide confinement（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.012）

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