理論上高能量密度和活性材料的廣泛可用性使人們對鎂硫(Mg-S)電池的發展產生了極大的興趣。然而，硫的電子導電性差、活性物質溶解、多硫化物穿梭和循環穩定性差是需要解決的主要挑戰。在這里，我們觀察到原始的mg單鍵電池面臨著嚴重的過充電問題，并且在30次循環中電池失效是常見的，并且容量明顯衰減。借助XRD和元素作圖，發現溶解的液態多硫化物具有亞穩性質。由于分離器的高親硫性，多硫化物的吸收導致分離器內晶體生長緩慢。這種活性物質的捕獲可能是容量快速衰減的原因。我們試圖通過在電極和分離器之間引入導電氮摻雜石墨烯(N-gpn)@碳布(CC)中間層來恢復溶解的多硫化物。該夾層具有高多硫化物吸收特性，使電池的初始容量達到1075 mAh g - 1，并將循環穩定性提高到100次循環。然而，通過保護陽極，這種穩定性進一步增強到300次循環。理論分析表明，在所有的多硫化物中，MgS8與N-gpn的相互作用最強，并且在缺陷的N-gpn中最容易被捕獲。這提高了活性物質的利用率，提高了循環穩定性。
圖 1. 從上到下的石墨烯片、N-gpn和缺陷N-gpn(配對氮摻雜碳空位)及其相應的優化結構的DFT計算得出的態密度(DOS)。總DOS用黑色和灰色表示。相互疊加的是垂直的p軌道(藍色)，平面上的p軌道(綠色)和s投影態密度(黃色)。未占用的狀態用比填充的狀態更淺的顏色繪制。能量零點設在價帶的頂端。(b-c)多硫吸附試驗目視對比(e)多硫溶液吸附前后拉曼光譜。(f, g)吸附后N-gpn@CC碳、硫的EDX元素圖。(對于圖例中有關顏色的解釋，請參閱本文的網頁版本。)
圖 2. 電化學研究。(a) LPS@N-gpn陰極(b) N-gpn@CC層間含陰極的電池恒流循環的充放電曲線。(c) LPS@N-gpn和N-gpn@CC含層間陰極電池的循環穩定性比較。(d)含有不同硫負荷的陰極電池N-gpn@CC夾層的循環穩定性。(e) N-gpn@CC層間細胞的CV。(f) N-gpn@CC層間電池在不同放電和充電點的電荷轉移電阻。
圖3. (a) LPS@N-gpn電池中的原位XRD測量。(b) LPS@N-gpn電池循環分離器在S 2p區域的XPS詳細光譜。(c-e)從LPS@N-gpn細胞的循環分離器得到的SEM和相應的EDX元素映射結果。(f) Mgsingle bondS電池在隔板上原位生成結晶多硫化物的示意圖。N-gpn@CC細胞100次循環后分離液的死后分析(g) SEM圖像(圓圈表示MgxSy晶體)(h, i)對應的EDX元素與Mg和S元素的映射。有和無夾層多硫化物轉化動力學評價。(j)有間層或無間層的Mg|LPS@N-gpn電池的PITT測量，電池從1.4 V放電到0.5 V，步進20mv。(k)有間層或無間層的Mg| LPS@N-gpn電池的PITT測量值，電池從1.6 V充電至2.5 V，步進20 mV。
圖 4. (a) LPS@N-gpn電池30次循環后Mg陽極的EDX元素圖。(b, c) N-gpn@CC夾層的Mg陽極SEM圖像(d) Mg側循環夾層，Mg被捕獲。
圖 5. 所研究的(a) S8和(b) MgS8在N-gpn和(c)缺陷N-gpn上吸收的結構表示和計算的相互作用能。藍色球體代表氮原子，黃色球體代表硫原子，橙色球體代表鎂離子。灰色六邊形代表石墨烯的蜂窩晶格。MgS8在N-gpn和缺陷N-gpn上吸附的電荷密度差異分別見(d)和(e)。(對于圖例中有關顏色的解釋，請參閱本文的網頁版本。)
圖 6. (a)原始(b)放電和(c)充電LPS@N-gpn陰極，(d)放電和(e)充電Mg陽極的S2p區XPS詳細光譜。在第5次電化學循環中回收了循環后的鎂陽極。
相關科研成果由赫爾姆霍茲研究所Dasari Bosubabu等人于2024年發表在
Journal of Energy Storage（https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389）上。原文：Reactivation of dissolved polysulfides with nitrogen doped graphene decorated carbon cloth as an effective interlayer for magnesium-sulfur battery
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389
轉自《石墨烯研究》公眾號
