V2CTx MXene/多孔碳纳米纤维复合夹层设计提升锂硫电池多硫化物氧化还原动力学

本文提出了一种由V2CTx MXene与多孔碳纳米纤维（PCNF）组成的多功能夹层，通过异质结构增强界面电子迁移率，显著抑制多硫化物（LiPSs）穿梭效应并加速硫氧化还原反应（SRR）。实验证实该夹层使锂硫电池（LSB）在0.1 C下实现1319.4 mAh g?1的高初始放电容量，5 C高倍率下仍保持707.5 mAh g?1，为下一代储能系统设计提供新思路。

　　

1 引言

锂硫电池（LSB）因其高理论比容量（1675 mAh g^?1）和能量密度（2600 Wh kg^?1）被视为下一代储能系统，但多硫化物（LiPSs）的穿梭效应和缓慢的硫氧化还原动力学阻碍其商业化。传统碳基夹层对极性LiPSs吸附能力弱，而过渡金属碳化物MXene（如V₂CT_x）凭借表面极性基团（─O/─OH）和多重氧化态，可增强LiPSs锚定与催化转化。本研究通过静电纺丝-真空过滤法制备V₂CT_x/PCNF复合夹层，结合物理限域与化学催化协同作用，实现高性能LSB设计。

2 结果与讨论

材料表征：V₂CT_x纳米片均匀覆盖于PCNF表面，形成异质界面（图1）。XRD显示(002)晶面间距从1.43 nm扩大至1.49 nm，抑制了MXene堆叠。XPS证实界面电子从V₂CT_x向PCNF转移，提升电荷传输效率。

理论计算：密度泛函理论（DFT）表明，V₂CO₂对Li₂S₄吸附能（-5.98 eV）远高于PCNF（-0.94 eV），且其硫还原反应（SRR）能垒（0.58 eV）低于PCNF（0.94 eV）。混合终止模型（V₂C(O_0.5(OH)_0.5)₂）通过─OH稳定长链LiPSs，─O促进短链转化，实现阶梯式催化路径（图2）。

实验验证：静态吸附测试显示V₂CT_x/PCNF使Li₂S₆溶液完全褪色，UV-Vis峰强度降低90%。对称电池CV曲线显示其氧化还原峰电流显著高于PCNF，表明催化活性提升（图3）。Li₂S沉积实验证实V₂CT_x诱导3D瞬时成核模式，沉积容量达315.72 mAh g^?1，较PCNF提高32%。

电化学性能：LSB在0.1 C下容量达1319.4 mAh g^?1，5 C倍率下容量保持率53.6%。Arrhenius方程计算显示其SRR活化能降低11.08 kJ mol^?1，Li⁺扩散系数（23.13×10^?8 cm² s^?1）为PCNF的2倍（图4）。高硫载量（4.8 mg cm^?2）下仍保持4.4 mAh cm^?2的稳定面积容量（图5）。

3 结论

V₂CT_x/PCNF夹层通过异质结构界面工程和双功能催化机制，同步解决LiPSs穿梭与转化动力学瓶颈，为高能量密度LSB设计提供新范式。

4 实验方法

V₂CT_x通过HF蚀刻V₂AlC MAX相制备，PCNF由PAN/PS电纺丝后碳化获得。采用真空过滤组装复合夹层，并通过恒电位沉积、Scharifker-Hills模型拟合分析Li₂S成核行为。DFT计算采用VASP软件，交换关联泛函选用PBE-GGA，截断能设为520 eV。