锂硫电池是极富潜力的下一代高能电池系统，其理论能量密度可达2600 Wh kg-1，是锂离子电池理论能量密度的3-5倍。然而聚硫化物穿梭效应使得该类电池循环能力和容量迅速衰减，成为了锂硫电池商业化应用的一大障碍。而开发具备抑制多硫聚物穿梭、良好导电性和机械性能的电极是解决上述问题的主要途径之一。都柏林圣三一学院Chuanfang Zhang教授课题组牵头的国际研究团队设计合成了一种新颖的MXene（二维过渡金属碳化物或氮化物）/硫复合的锂硫电池电极材料，其具备了良好的导电性、机械强度和独特的多硫化物吸附性能，从而在保障电池性能前提下，有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”，获得了超长循环寿命和超低的容量衰减率。
研究人员首先采用盐酸腐蚀方法制备了MXene材料Ti3C2Tx，随后通过真空过滤方法将硫（S）元素填充到上述二维Ti3C2Tx材料中形成Ti3C2Tx/S复合材料。扫描电镜和透射电镜表征显示，Ti3C2Tx/S复合物依旧呈现完整的二维层状纳米片结构，且层间距较未填充S的Ti3C2Tx增大了，这有助于存储更多的离子提升电池容量。X射线能谱微区成分分析显示S元素是均匀地分布在整个二维的纳米片表面。通过对上述Ti3C2Tx/S复合材料进行弯折测试，结果显示S元素填充并没有改变二维材料Ti3C2Tx良好的机械柔韧性，即Ti3C2Tx/S复合材料依旧保持良好的柔韧性，并且经过200多次弯折测试发现，整个Ti3C2Tx/S复合材料导电性也基本没有变化（维持在1650 S/cm上下），有潜力应用到柔性电池当中。而利用传统制备方法制备出Ti3C2Tx-S简单混合的复合材料（非化学吸附填充），其导电性仅为830 S/cm。为了检验电极材料性能，研究人员分别制备了以Ti3C2Tx-S、Ti3C2Tx/S为正极的锂硫电池，并进行电化学性能测试。结果显示，当倍率从0.1C（1C=1675 mA/g）增大到2C时候，基于Ti3C2Tx/S电极电池放电比容量从1383 mAh/g小幅降至1075 mAh/g，相反Ti3C2Tx-S电极电池不仅0.1C的比容量小（1196 mAh/g），且倍率增加到2C时候放电比容量显著下降至824 mAh/g。随后在1C倍率下对电池的循环稳定性进行测试，发现Ti3C2Tx/S电极电池初始放电比容量为1169 mAh/g，经过1500余次的超长循环后，比容量仍可高达970 mAh/g，意味单次循环的容量衰减率仅为超低的0.0014%，这是目前已报道的锂硫电池容量衰减率的最低值；相反，基于Ti3C2Tx-S电极电池初始的放电比容量只经过325次循环就开始显著下滑至857 mAh/g（初始容量为1183mAh/g），而进一步延长循环次数电池比容量进一步下滑。通过对循环前后电极微结构表征发现，循环测试之后在Ti3C2Tx/S电极的MXene薄膜表面原位形成了一层的硫酸盐络合物层，这个络合层充当了保护膜，有效抑制了多硫聚物的穿梭，提高了硫的利用率，因此增强电池性能和循环稳定性。
该项研究精心设计硫元素填充的MXene纳米片复合电极应用于锂硫电池中，有效抑制多硫聚物的“穿梭效应”，增强了电池的倍率性能和循环稳定性，为设计和开发高性能的锂硫电池提供了一种新的研究思路。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》 。
