锂硫电池因其理论容量高，硫来源广泛，价格低廉等优势在储能领域备受关注。然而，获得高质量/高体积能量密度的锂硫电池并非易事。现今面临的主要问题有：硫电导率低、体积膨胀、穿梭效应，硫负载率低等。当前的主流解决策略是将功能化碳质框架(如分层多孔碳材料及其衍生物) 与S或Li2S相结合，以确保电极的导电性和长循环稳定性。然而，大量使用多孔碳材料势必会增大电解液/硫(E/S)比率，增加电池总质量从而降低电池的质量比能量。另一方面，低密度碳的过量引入会显著降低电极材料的振实密度，从而降低锂硫电池的体积比能量。综上，理想的硫宿主应至少具备以下特征：1）优异的导电性保证电荷的快速传输； 2）稳定结构来促进离子传输和硫负载量；3）充足的活性位点来实现多硫化物的锚定和Li2S的均匀形核；4）较高的振实密度来提升电池的体积能量密度。获得这种多功能的高密度宿主需要合理的材料选择和设计。
MXene材料自诞生以来因其优异的导电性、可调的结构、丰富的表面官能团等特质而倍受关注。需要注意的是，其剥离制备通常涉及HF的使用，往往阻碍了其大规模的应用。与此同时，在刻蚀的过程中伴随表面金属氧化物的产生。本文另辟蹊径，利用LiF-HCl为刻蚀剂，在水热的条件下，一步反应实现了MAX相的成功刻蚀并对其表面微氧化，获得了MOx-MXene的异质结，进而作为多功能、高振实密度的锂硫电池宿主材料。针对锂硫电池硫负载率低的问题，本工作使用3D打印技术实现梯度递增的硫负载量。3D打印助力获得多孔导电框架，相比于传统电极涂覆方法，可以实现反应过程中的电荷传输的加速、充放电过程中的体积膨胀的缓解、以及高硫负载下的电池性能的稳定提升。
近日，苏州大学2138cn太阳集团古天乐孙靖宇教授与杨瑞枝教授合作，在ACS Nano 期刊上发表题为“Universal in Situ Crafted MOx‑MXene Heterostructures as Heavy and Multifunctional Hosts for 3D-Printed Li−S Batteries”的研究工作。该工作提出了一种普适的一步反应方法，成功地制备了系列的MOx‑MXene (M: Ti, V, and Nb)异质结材料。合成的MOx‑MXene异质结作为锂硫电池的宿主，表现出良好的催化活性、较好的电化学稳定性和高硫负载能力。同时作者借助3D打印技术实现了高面容量的锂硫电池。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07999
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