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 如今，柔性、可穿戴電子的快速發展，迫切需要兼具優異機械柔性和高能量密度的可充電電池。南京工業大學楊建教授和瑞士聯邦理工學院聯邦材料科學技術研究所張傳芳博士研究團隊通力合作，制備出了具有出色柔韌性、可以經受頻繁彎曲的Ti?C?Tx/S導電紙，將它直接用作鋰硫電池復合正極，獲得了較高的放電容量和超低容量衰減率，在柔性、可穿戴電子和織物領域展現出了良好應用前景。日前，相關成果發表在Advanced Functional Materials(先進功能材料)上。

　　鋰硫電池(Li-S)以其具有高能量密度、成本低、綠色環保等突出優點，引起了人們的極大興趣。開發出可以經受頻繁彎曲的柔韌正極是設計面向下一代智能電子的柔性Li-S電池的關鍵。然而，單質硫的絕緣特性、可溶性中間產物多硫化鋰(Li?Sx)的穿梭效應(即電池的正極材料——活性物質硫的損耗)和充放電過程中硫的體積膨脹(膨脹到一定程度會讓電池“爆掉”)導致Li-S電池的循環性能較差、活性物質利用率低，嚴重制約了Li-S電池的發展和應用。

　　楊建教授介紹，前期，他們研究團隊制備出了S@Ti?C?Tx復合漿料電極，并發現MXene通過其表面的–OH化學吸附Li2Sx并進一步原位形成亞硫酸鹽保護層，從而有效抑制了Li2Sx的溶解和穿梭，展現了MXene在固硫、實現長程穩定性鋰硫電池方面的巨大潛力(Advanced Science, 2018, 5(9): 1800502)。

　　“最近，我們又采用干法氣相蒸鍍的思路，制備出了具有出色柔韌性、可以經受頻繁彎曲的Ti?C?Tx/S導電紙，闡明了Ti?C?Tx的固硫機制，將其直接用作Li-S電池無粘結劑正極，獲得了在1C電流密度循環1500圈后970 mAh g-1的比容量，和每圈0.014%的超低容量衰減率。并且基于Ti?C?Tx/S導電紙，首次制備出了軟包半電池和Ge-S全電池原型器件，展現出在智能電子和織物領域的良好應用前景。”論文第一作者、南京工業大學李文龍碩士說。

　　李文龍介紹，以Ti?C?Tx為代表的MXene是一類新的二維過渡族金屬碳(氮)化物，具有優異導電性、強的極性和獨特表面化學環境，是作為硫的載體構筑長壽命、高能量密度、超柔性Li-S電池復合正極的新型理想材料。

　　楊建研究團隊將剝離的Ti?C?Tx (d-Ti?C?Tx膠態懸浮液，通過真空抽濾，制得了具有出色柔性的Ti?C?Tx導電薄膜;進一步通過簡單的化學蒸鍍，使非晶態的S均勻錨接在納米片的表面，從而制得了柔性的無粘結劑Ti?C?Tx/S導電紙。Ti3C2Tx/S導電紙可以正反大幅度彎曲而不出現裂紋，具有和Ti?C?Tx薄膜相似的柔韌性，而且在彎曲/釋放過程和重復彎曲/釋放循環25次后電導率不發生變化，展現出在柔性、可穿戴電子領域的良好應用前景。

　　楊建團隊還通過不同循環周期后電極片的剖析和對比研究，發現了MXene抑制Li2Sx穿梭的新機制，進一步闡明了固硫的機理：循環過程中，可溶性Li?Sx首先吸附在極性Ti3C2Tx表面并與MXene表面的–OH和/或–O等含氧官能團相互作用，從而在表面清潔的MXene上形成一薄層亞硫酸鹽，同時裸露的Ti原子也與Li?Sx產生強烈的Lewis 酸基相互作用。隨著循環過程的進行，硫代硫酸鹽與Li?Sx繼續反應形成復合硫酸鹽層，同時其厚度逐漸增加，最終形成一層厚的硫酸鹽復合層，從而將Li?Sx限域在其下與裸露的Ti原子相互作用。硫酸鹽復合層作為保護屏障與裸露的Ti原子協同作用，有效抑制了Li?Sx遷移，顯著提升了硫的利用率和電池的循環性能，實現了超低的容量衰減。

　　研究團隊進一步基于Ti?C?Tx/S導電紙制備出了柔性軟包Li-S電池，其在彎曲狀態下表現出較平直狀態更優的電化學性能。采用Ti?C?Tx/S導電紙作為正極，預鋰化的鍺作為負極，首次制備出了Ge-S全電池，并初步表現出優異的電化學性能，展現出在智能電子和織物領域的良好應用前景。柔性軟包的構建可以促進柔性電子的發展，而構建全電池則可以為負極材料的選擇提供新的思路，有助于解決工業化生產和實際應用中金屬鋰負極的安全問題。