Батареяҳои литий-сулфур аз ҷумлаи технологияҳои насли нави захираи энергия арзёбӣ мешаванд, зеро сулфур аз ҷиҳати назариявӣ 1675 mAh g⁻¹ иқтидори хос ва барои системаи батарея 2567 Wh kg⁻¹ зичии назариявии энергия пешниҳод мекунад. Аммо полисулфидҳои ҳалшавандаи литий, ки ҳангоми заряд ва разряд ба вуҷуд меоянд, метавонанд аз сепаратор гузашта, боиси талафи сулфури фаъол ва коҳиши босуръати иқтидор шаванд.

Дар ин таҳқиқот муҳаққиқон нанозарраҳои сулфиди руҳ, ZnS, -ро дар сатҳи қабатҳои ноқили Ti₃C₂T_x MXene парвариш карда, композити ҳосилшударо ба сепаратори полипропилении ҳуҷайраи литий-сулфур татбиқ намудаанд. Нанозарраҳои ZnS ҳам ҳамчун фосилагузорҳои физикӣ барои пешгирии дубора рӯи ҳам ҷамъ шудани қабатҳои MXene ва ҳам ҳамчун марказҳои каталитикӣ барои гирифтани химиявии полисулфидҳо ва тезонидани табдили онҳо тарҳрезӣ шудаанд.

Масоҳати хоси сатҳи композити ZnS/Ti₃C₂T_x 105,9 m² g⁻¹ чен шудааст; барои Ti₃C₂T_x-и коркарднашуда ин қимат 12,1 m² g⁻¹ буд. Афзоиши тақрибан 8,8-карата нишон медиҳад, ки нанозарраҳои ZnS ва раванди хушккунии яхбаста ҷамъшавии зичи қабатҳои MXene-ро коҳиш додаанд.

Дар озмоишҳои электрохимиявӣ ZnS/Ti₃C₂T_x табдили полисулфидҳои ҳалшаванда ба Li₂S-и сахт ва оксидшавии дубораи Li₂S-ро нисбат ба MXene-и холис тезонидааст. Иқтидори таҳшиншавии Li₂S аз 521,7 ба 605,4 mAh g⁻¹ ва иқтидори ҳалшавӣ аз 489,5 ба 591,9 mAh g⁻¹ афзудааст. Нишебии Tafel-и реаксияи мувофиқи коҳиш аз 66,2 ба 42,8 mV dec⁻¹ кам шудааст.

Ҳуҷайрае, ки сепаратори бо ZnS/Ti₃C₂T_x пӯшонидашударо истифода бурд, дар 0,1 C ибтидо 1328,8 mAh g⁻¹ иқтидор истеҳсол кард ва баъд аз 200 давр %80,1-и онро нигоҳ дошт. Вақте ҳуҷайра дар 1 C барои 1000 давр кор кард, талафи иқтидор дар ҳар давр %0,048 буд. Дар бори баландтари сулфур, яъне 5 mg cm⁻², нигоҳдории иқтидор баъд аз 50 давр %96,4 гузориш шудааст.

Гарчанде натиҷаҳо умедбахшанд, таҳқиқот аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст. Дар матни боршуда бахши муфассали усули таҷрибавӣ, дорухати ҷамъкунии ҳуҷайра, таносуби электролит/сулфур, бори рӯйпӯши сепаратор, шумораи такрорҳои мустақили ҳуҷайра, хатҳои хато ва номуайянии оморӣ вуҷуд надоранд. Аз ин рӯ, натиҷаҳо бояд ҳамчун нишондиҳандаи тарҳи пешрафтаи мавод арзёбӣ шаванд, на ҳамчун далели кори батареяи тиҷоратӣ ё эътимоднокии дарозмуддат.

Мушкилоти асосии батареяҳои литий-сулфур чист?

Дар ҳуҷайраҳои литий-сулфур сулфур дар як марҳила ба Li₂S табдил намеёбад. Ҳангоми разряд аввал полисулфидҳои дароззанҷири ҳалшавандаи литий ба вуҷуд меоянд:

\[ \mathrm{Li_2S_n,\quad 4\leq n\leq8} \]

Ин маҳсулоти мобайнӣ метавонанд дар электролит ҳал шуда, аз электроди мусбат ба сӯи электроди манфии литий-металл ҳаракат кунанд. Полисулфидҳое, ки дар электроди манфӣ коҳиш меёбанд, баъдан метавонанд дубора ба электроди мусбат интиқол ёбанд. Ин раванд, ки “таъсири shuttle-и полисулфид” ном дорад:

• Ба дур шудани сулфури фаъол аз минтақаи истифодашаванда,
• Ба реаксияҳои номатлуби паҳлуӣ,
• Ба ҷамъшавӣ дар сатҳи литий,
• Ба самаранокии пасти Coulomb,
• Ба талафи босуръати иқтидор

оварда метавонад.

Ҷанбаи дуюми мушкилот ин аст, ки коҳиши бисёрмарҳилаи сулфур ва оксидшавии Li₂S суст мегузарад. Вақте полисулфидҳо ба қадри кофӣ зуд табдил дода намешаванд, дар электролит муддати бештар мемонанд ва эҳтимоли гузаштани онҳо аз сепаратор меафзояд. Аз ин рӯ, муҳаққиқон кӯшиш карданд сатҳи сепаратореро таҳия кунанд, ки на танҳо полисулфидҳоро нигоҳ дорад, балки онҳоро зуд ба маҳсулоти баъдӣ табдил диҳад.

Чаро сепаратор ба сатҳи функсионалӣ табдил дода шудааст?

Сепаратор аз тамоси физикии электродҳои мусбат ва манфӣ пешгирӣ карда, ҳамзамон гузаштани ионҳои литийро иҷозат медиҳад. Сепараторҳои анъанавии полипропиленӣ полисулфидҳои ҳалшавандаро қавӣ адсорбсия намекунанд ва ҳаракати ин навъҳоро дар дохили ҳуҷайра аз ҷиҳати химиявӣ идора карда наметавонанд.

Илова кардани қабати функсионалӣ ба сатҳи сепараторе, ки ба катод нигаронида шудааст, метавонад се вазифаро таъмин кунад:

1. Эҷоди монеаи физикӣ барои гузаштани полисулфидҳо,
2. Пайвастани химиявии полисулфидҳо тавассути сатҳҳои қутбӣ,
3. Таъмини сатҳи каталитикӣ, ки маҳсулоти мобайнии пайвастшударо ба Li₂S ё дубора ба сулфур табдил медиҳад.

Ин равиш аз он сабаб интихоб шудааст, ки метавонад минтақаи реаксияро дар дохили ҳуҷайра бидуни пурра тағйир додани таркиби асосии катоди сулфур танзим кунад.

Чаро MXene интихоб шудааст?

Ti₃C₂T_x узви оилаи MXene мебошад, ки аз карбидҳои дученакаи металҳои гузариш иборат аст. Дар таҳқиқот аз чор хусусияти ин мавод истифода шудааст:

• Ноқилияти баланди электронӣ,
• Анҷомҳои қутбии сатҳ ва марказҳои титан,
• Сохтори қабатие, ки барои ҳаракати ионҳои литий мувофиқ аст,
• Чаҳорчӯби nanosheet-и чандир ва аз ҷиҳати механикӣ устувор.

Сохтори ноқили Ti–C метавонад дастрасии сулфури аз ҷиҳати барқӣ изолятсионӣ ва маҳсулоти Li₂S-ро ба электронҳо осон кунад. Марказҳои Ti дар сатҳ ва гурӯҳҳои функсионалии дорои оксиген ё фтор метавонанд бо полисулфидҳои қутбӣ таъсири мутақобила кунанд.

Чаро дубора ҷамъ шудани қабатҳои MXene мушкил аст?

Қувваҳои van der Waals байни nanosheet-ҳои MXene метавонанд боиси рӯ ба рӯ омадан ва зич рӯи ҳам ҷамъ шудани қабатҳо шаванд. Қувваҳои капиллярӣ, ки ҳангоми хушккунии анъанавӣ ба вуҷуд меоянд, метавонанд ин ҷамъшавиро боз ҳам бештар кунанд.

Вақте қабатҳо фишурда мешаванд:

• Масоҳати хоси сатҳ кам мешавад,
• Титан ва гурӯҳҳои фаъоли сатҳ дастнорас мешаванд,
• Каналҳои воридшавии электролит баста мешаванд,
• Интиқоли ионҳои литий душвор мешавад,
• Адсорбсияи полисулфид ва табдили каталитикӣ маҳдуд мешаванд.

Гарчанде фосилагузорҳои карбонӣ ба монанди нанолӯлаҳои карбон ё оксиди графен метавонанд қабатҳои MXene-ро ҷудо кунанд, таъсири онҳо бо полисулфидҳои қутбӣ нисбатан заиф аст. Аз ин рӯ, муҳаққиқон нанозарраҳои қутбии ZnS-ро истифода бурданд, ки на танҳо қабатҳоро аз ҳам ҷудо мекунанд, балки адсорбсияи химиявӣ ва катализро низ таъмин менамоянд.

Вазифаи дугонаи нанозарраҳои ZnS чист?

Нанозарраҳои ZnS дар таҳқиқот ҳамчун “фосилагузорҳои дувозифагӣ” таъриф шудаанд:

• Вазифаи сохторӣ: Ба байни қабатҳои MXene даромада, тамоси мустақими рӯ ба рӯ ва дубора ҷамъшавиро коҳиш медиҳанд.
• Вазифаи химиявӣ ва каталитикӣ: Бо марказҳои қутбии Zn ва S полисулфидҳои литийро адсорбсия карда, табдили бисёрмарҳилаи сулфурро тезонанд.

Дар ҳоле ки Ti₃C₂T_x роҳи ноқили электронро таъмин мекунад, ZnS марказҳои бештари пайвасти химиявӣ пешниҳод менамояд. Аз ин рӯ, кори композит на танҳо ба хусусияти ZnS ё танҳо MXene, балки ба сатҳи муштараке вобаста аст, ки ду ҷузъ якҷоя ташкил мекунанд.

Композит чӣ гуна омода шудааст?

Дар саҳифаи 21-и таҳқиқот Шакли 1 раванди синтезро ба таври схемавӣ нишон медиҳад. Қабатҳои алюминий дар фазаи MAX-и Ti₃AlC₂ бо системаи HCl/LiF интихобан хориҷ карда шуда, Ti₃C₂T_x ба даст оварда шудааст. Дар схема коркарди 1 грамм Ti₃AlC₂, 20 mL HCl ва 1,56 грамм LiF дар 38 °C барои 48 соат нишон дода шудааст.

Сипас бо истифода аз прекурсори дорои руҳ ва манбаи сулфур, ZnS бо усули гидротермалӣ дар сатҳи Ti₃C₂T_x парвариш карда шудааст. Дар схема раванди гидротермалӣ 60 °C ва 4 соат нишон дода шудааст. Маҳсулот бо хушккунии яхбаста хушк карда шуда, қабати функсионалии сепаратор омода шудааст.

Бо вуҷуди ин, миқдори пурраи прекурсорҳои синтез, шароити шустан, таносуби ниҳоии ZnS/MXene, ҳарорат ва давомнокии хушккунии яхбаста, таркиби омехтаи рӯйпӯш, бори мавод дар сепаратор ва ғафсии рӯйпӯш дар матн пурра дода нашудаанд.

Таҳлили XRD кадом сохторҳоро тасдиқ кардааст?

Барои Ti₃C₂T_x қуллаи дифраксияе, ки тақрибан дар 5,8° дида шудааст, ҳамчун қуллаи (002) ва ташаккули сохтори қабатии MXene баъд аз хориҷ шудани алюминийи фазаи MAX тафсир шудааст.

Пас аз парвариши ZnS:

• Тақрибан дар 29,8° ZnS (111),
• Дар 48,0° ZnS (220),
• Дар 56,7° ZnS (311)

сигналҳои дифраксия пайдо шудаанд. Нигоҳ доштани қуллаи Ti₃C₂T_x (002) нишон медиҳад, ки чаҳорчӯбаи қабатӣ ҳангоми раванди гидротермалӣ пурра вайрон нашудааст. Дар таҳқиқот қуллаи равшани ифлосӣ гузориш нашудааст.

Андоза ва паҳншавии нанозарраҳо чӣ гуна аст?

Тасвирҳои SEM нишон медиҳанд, ки пас аз парвариши ZnS морфологияи қабатии MXene нигоҳ дошта шуда, байни қабатҳо шабакаи кушодаи сеченака ба вуҷуд омадааст. Дар тасвирҳои TEM нанозарраҳои ZnS дар сатҳи MXene бидуни ташаккули ҷамъшавиҳои калон паҳн шудаанд.

Миёнаи тақсимоти андозаи зарраҳо тақрибан 72,29 nm аст. Гузориш шудааст, ки ZnS-и алоҳида дар ҳамон шароити гидротермалӣ ба таври равшан ҷамъ шудааст, дар ҳоле ки сатҳи MXene ҳамчун такягоҳе амал кардааст, ки парвариши ZnS-ро паҳн мекунад.

Фосилаи шабакаи 0,31 nm дар тасвири HRTEM ба ҳамвории кристалии (111)-и ZnS-и кубӣ нисбат дода шудааст. Паҳншавии сигналҳои Ti, Zn ва S дар харитаҳои EDS дар як минтақаи nanosheet низ дастгирӣ мекунад, ки ZnS танҳо дар чанд ҷамъшавии калон мутамарказ нашудааст.

Масоҳати сатҳ чӣ қадар тағйир ёфтааст?

Масоҳати сатҳ тақрибан 8,75 маротиба афзудааст. Гарчанде диаметри сӯрох танҳо ба андозаи маҳдуд тағйир ёфтааст, ҳаҷми сӯрох дар тамоми диапазони ченкунӣ зиёд шудааст. Муҳаққиқон ин натиҷаро бо ҷудо кардани қабатҳои MXene аз ҷониби нанозарраҳои ZnS ва нигоҳ доштани сохтори кушода тавассути хушккунии яхбаста шарҳ медиҳанд.

Афзоиши масоҳати сатҳ худ аз худ фаъолияти каталитикиро исбот намекунад; аммо барои тамоси бештари Zn, Ti ва гурӯҳҳои сатҳӣ бо электролит заминаи сохторӣ фароҳам меорад.

Оё рӯйпӯш дар сепаратор устувор аст?

Дар Шакли иловагии S4 гуфта шудааст, ки сепаратори полипропиленӣ бо қабати сиёҳи пайваста пӯшонида шудааст ва минтақаҳои бараҳнаи бо чашм намоён вуҷуд надоранд. Рӯйпӯш баъд аз хамкунии такрорӣ бо пинсет кандашавӣ ё кафидани назаррас нишон надодааст.

Кунҷи тамоси электролит дар сепаратори бо ZnS/Ti₃C₂T_x пӯшонидашуда дар давоми 0,1 сония ба 7,7° паст шудааст. Кунҷи хурди тамос нишон медиҳад, ки электролит метавонад сатҳро зуд тар кунад. Ин хусусият метавонад воридшавии электролит ба сӯрохҳо ва интиқоли ионҳои литийро дар сатҳи сепаратор/электрод осон кунад.

Аммо тасвирҳои хамкунӣ ва силсилаи пурраи визуалии муқоисаи кунҷи тамос дар шаклҳои иловагии S4–S6 ҷой доранд. Азбаски ин маводи иловагӣ дар файли таҳқиқоти боршуда мавҷуд нестанд, тасвирҳо мустақилона санҷида нашудаанд.

Таҳшиншавӣ ва ҳалшавии Li₂S чӣ гуна тағйир ёфтааст?

Озмоишҳои PITT барои табдили полисулфидҳо ба Li₂S-и сахт ва дубора ҳал шудани Li₂S истифода шудаанд.

Нуклеатсияи барвақттар ва иқтидори баландтари таҳшиншавӣ нишон медиҳанд, ки ташаккули Li₂S-и сахт аз полисулфидҳои ҳалшаванда тезтар шудааст. Иқтидори баландтари ҳалшавӣ бошад нишон медиҳад, ки оксидшавии дубораи Li₂S-и сахт ҳангоми заряд осон шудааст.

Ин таъсири дуҷониба муҳим аст. Танҳо тезонидани реаксияи разряд, агар Li₂S-и ҳосилшуда ҳангоми заряди баъдӣ самаранок дубора табдил дода нашавад, кофӣ нахоҳад буд.

Натиҷаҳои Tafel ва энергияи фаъолсозӣ чиро нишон доданд?

Дар саҳифаи 22-и таҳқиқот Шакли 2 нишебии Tafel-и қуллаи B, ки ба коҳиши полисулфидҳои дароззанҷир ба Li₂S алоқаманд аст:

• Барои Ti₃C₂T_x 66,2 mV dec⁻¹,
• Барои ZnS/Ti₃C₂T_x 42,8 mV dec⁻¹

дода шудааст. Нишебии пасттари Tafel нишон медиҳад, ки зичии ҷараёнро бо шиддати иловагии камтар зиёд кардан мумкин аст ва кинетикаи реаксияи байнисатҳӣ тезтар шудааст.

Дар муқоисаи энергияи фаъолсозӣ гузориш шудааст, ки композити ZnS/Ti₃C₂T_x:

• Монеаи энергетикии табдили S₈ → полисулфидро 57,1 kJ mol⁻¹,
• Монеаи энергетикии табдили полисулфид → Li₂S-ро 97,4 kJ mol⁻¹

коҳиш додааст. Инҳо энергияи мутлақи фаъолсозии композит нестанд, балки миқдори коҳишҳое мебошанд, ки нисбат ба Ti₃C₂T_x гузориш шудаанд.

Дар матни асосӣ муфассал дода нашудааст, ки энергияи фаъолсозӣ бо кадом силсилаи ҳарорат, муодилаи мувофиқсозӣ ва шумораи такрорҳо ҳисоб шудааст.

Оё интиқоли ионҳои литий тезтар шудааст?

Каҷи CV, ки дар суръатҳои гуногуни сканкунӣ гирифта шудаанд, бо равиши Randles–Sevcik арзёбӣ шуданд. Коэффисиентҳои диффузияи ионҳои литий, ки барои ҳуҷайраи бо ZnS/Ti₃C₂T_x пӯшонидашуда дар се қуллаи редокс ҳисоб шудаанд, тақрибан:

• 3,3 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹,
• 5,4 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹,
• 13,2 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹

гузориш шудаанд. Баландтар будани нишебиҳо нисбат ба назорати Ti₃C₂T_x ҳамчун беҳтар шудани интиқоли ионҳо дар сатҳи сепаратор/электрод тафсир шудааст.

Масоҳати самараноки электрод, консентратсияи маводи фаъол ва дигар параметрҳои мувофиқсозӣ, ки барои ҳисоб кардани ин коэффисиентҳо заруранд, дар матни боршуда пурра дода нашудаанд.

Адсорбсияи полисулфид чӣ гуна нишон дода шудааст?

Миқдори баробари Ti₃C₂T_x ва ZnS/Ti₃C₂T_x ба 2 mL маҳлули 5 mmol L⁻¹ Li₂S₆ илова шудааст. Пас аз панҷ соат:

• Маҳлули коркарднашудаи Li₂S₆ зарди торик-норанҷӣ мондааст,
• Маҳлули дорои Ti₃C₂T_x қисман равшан шудааст,
• Маҳлули дорои ZnS/Ti₃C₂T_x қариб беранг шудааст.

Дар саҳифаи 23-и таҳқиқот Шакли 3 ин тағйири визуалиро равшан нишон медиҳад. Спектри UV–vis низ нишон додааст, ки абсорбсияи полисулфид дар моеъи болоии ZnS/Ti₃C₂T_x пасттарин аст.

Аз байн рафтани ранг хориҷ шудани полисулфидҳоро аз маҳлул дастгирӣ мекунад; аммо танҳо аз рӯи он пайвасти химиявиро аз адсорбсияи физикӣ ҷудо кардан мумкин нест. Ин фарқ бо ченкуниҳои XPS омӯхта шудааст.

Натиҷаҳои XPS кадом таъсирҳои химиявиро нишон доданд?

Пас аз адсорбсияи Li₂S₆, сигналҳои Zn 2p ба энергияҳои пасттари пайвастшавӣ кӯчиданд:

Ин кӯчиш чунин тафсир шудааст, ки марказҳои Zn ҳангоми таъсири мутақобила бо полисулфидҳо зичии электронӣ мегиранд. Кӯчиши сигналҳои S–Zn-и ZnS тақрибан 0,5 eV ба энергияи баландтар низ аз бозтақсимшавии заряд дар сатҳи байнифазавӣ пуштибонӣ мекунад.

Сигналҳои нави S–O, ки пас аз адсорбсия дар 167,9 ва 169,3 eV пайдо шуданд, ба навъҳои тиосулфат нисбат дода шудаанд. Муҳаққиқон инро чунин тафсир кардаанд, ки полисулфидҳо на танҳо дар сӯрохҳо ба таври физикӣ нигоҳ дошта мешаванд, балки дар сатҳ табдили химиявӣ низ мегузаронанд.

Дар таҳлили Ti 2p ҳиссаи Ti²⁺ зиёд, ҳиссаи Ti³⁺ кам ва навъҳои Ti–O бештар шудаанд. Ин тағйирот нишон медиҳанд, ки полисулфидҳо ҳамроҳ бо ZnS бо марказҳои Ti низ таъсири мутақобилаи электронӣ доранд.

Оё чаҳорчӯбаи ноқили MXene ҳангоми адсорбсия нигоҳ дошта шудааст?

Дар спектрҳои C 1s ба андозаи зиёд нигоҳ дошта шудани сигналҳои Ti–C ва C–C/C=C нишон медиҳад, ки адсорбсияи полисулфид чаҳорчӯбаи ноқили Ti–C-ро вайрон намекунад. Танҳо дар гурӯҳҳои карбонии сусттар оксидшуда тағйироти маҳдуд гузориш шудааст.

Ин натиҷа барои он муҳим аст, ки композит метавонад ду вазифаро ҳамзамон идома диҳад:

• Пайвасти химиявии полисулфид дар марказҳои Zn ва Ti,
• Интиқоли электрон тавассути чаҳорчӯбаи Ti–C.

Оё муқовимати омии ҳуҷайра кам шудааст?

Дар графикҳои EIS Nyquist муқовимати омии ҳар ду ҳуҷайра тақрибан 1,57 Ω аст. Аз ин рӯ, беҳтаршавии кори ҳуҷайраи ZnS/Ti₃C₂T_x-ро танҳо бо кам шудани муқовимати электронии тамоми ҳуҷайра шарҳ додан мумкин нест.

Таҳқиқот пешниҳод мекунад, ки фарқ бештар аз равандҳои зерин сарчашма мегирад:

• Интиқоли тезтари электрон дар сатҳи байнифазавӣ,
• Поляризатсияи пасттари фаъолсозӣ,
• Поляризатсияи пасттари консентратсионӣ,
• Интиқоли тезтари Li⁺ ва полисулфид,
• Осон шудани нуклеатсия ва оксидшавии Li₂S.

Дар таҳлили Tafel-и ҳуҷайраи симметрӣ зичии ҷараёни мубодила барои ZnS/Ti₃C₂T_x 9,72 mA cm⁻² ва барои Ti₃C₂T_x тақрибан 3,3 mA cm⁻² нишон дода шудааст.

Оё ҷараёни shuttle-и полисулфид кам шудааст?

Дар саҳифаи 24-и таҳқиқот Шакли 4h нишон медиҳад, ки ҷараёни устувори shuttle дар ҳуҷайраи дорои ZnS/Ti₃C₂T_x нисбат ба назорати Ti₃C₂T_x ба таври равшан пасттар аст.

Ҷараёни пасти shuttle нишондиҳандаи мустақими электрохимиявии маҳдуд шудани интиқоли полисулфидҳои озод аз сепаратор ба электроди муқобил мебошад. Муҳаққиқон инро ба нигоҳ доштани полисулфидҳо дар сатҳи байнифазавӣ тавассути таъсирҳои Zn–S ва Ti–S нисбат медиҳанд.

Таҳлили in situ Raman чиро нишон дод?

Харитаҳои Raman-и ҳалшуда аз рӯи вақт дар саҳифаи 25-и таҳқиқот рушди навъҳои гуногуни полисулфидро ҳангоми разряд нишон медиҳанд.

Дар сепаратори бо ZnS/Ti₃C₂T_x пӯшонидашуда:

• Сигнали S₈²⁻ зуд коҳиш ёфт,
• Маҳсулоти мобайнии S₆²⁻ ва S₄²⁻ муддати кӯтоҳ дида шуданд,
• Маҳсулоти мобайнӣ зудтар сарф шуда, ба Li₂S₂/Li₂S табдил ёфтанд.

Дар назорати Ti₃C₂T_x ҳамин сигналҳои полисулфид муддати дарозтар идома карданд. Ин муқоиса дастгирӣ мекунад, ки композити дорои ZnS вақти мондани маҳсулоти мобайнии ҳалшавандаро дар электролит кӯтоҳ мекунад.

Кори суръатӣ чӣ гуна аст?

Ҳангоми баланд шудани меъёри ҷараён иқтидори ҳуҷайраи дорои ZnS/Ti₃C₂T_x нисбат ба назорати Ti₃C₂T_x сусттар кам шудааст. Гузориш шудааст, ки вақте ҷараён дубора ба 0,1 C оварда шуд, иқтидор ба сатҳи наздики ибтидоӣ баргашт.

Дида мешавад, ки ҳуҷайраи ZnS/Ti₃C₂T_x ҳатто дар меъёри баланди 9 C ду платои хоси разрядро нигоҳ доштааст, дар ҳоле ки дар ҳуҷайраи Ti₃C₂T_x дар 5 C равшании платоҳо суст шудааст.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки композит метавонад дар ҷараёни баланд марҳилаҳои табдили сулфурро бидуни пурра аз даст додани онҳо идома диҳад. Бо вуҷуди ин, озмоишҳои меъёри баланд хусусияти санҷиши кӯтоҳмуддати суръат доранд ва устувории дарозмуддати даврӣ дар 9 C нишон дода нашудааст.

Кори 200 давр чиро нишон дод?

Ба вуҷуд овардани платои дарозтари поёнии разряд аз ҷониби сепаратори дорои ZnS нишон медиҳад, ки полисулфидҳои дароззанҷир ба Li₂S₂/Li₂S амиқтар табдил ёфтаанд. Таносуби иқтидори платои поёнӣ ва болоӣ дар композити ZnS 2,97 ва дар назорати Ti₃C₂T_x 2,87 аст.

Натиҷаҳо дар бори баланди сулфур чӣ гунаанд?

Вақте бори сулфур ба 5 mg cm⁻² расонида шуд, ҳуҷайраи ZnS/Ti₃C₂T_x:

• Дар 0,1 C 782,7 mAh g⁻¹ иқтидори ибтидоӣ,
• Пас аз 50 давр %96,4 нигоҳдории иқтидор

нишон дод. Нигоҳдории иқтидори назорати Ti₃C₂T_x %79,7 буд.

Бори баланди сулфур бо сабаби ташаккули бештари полисулфид, часпакии баландтари электролит ва роҳҳои дарозтари интиқоли ион шароити душвортар аст. Бо вуҷуди ин, 5 mg cm⁻² худ аз худ шароити амалии ҳуҷайраро исбот намекунад; параметрҳои дигар ба монанди таносуби электролит/сулфур ва зиёдатии литий низ бояд арзёбӣ шаванд. Ин қиматҳо дар матни боршуда дода нашудаанд.

Озмоиши 1000 давр чиро нишон дод?

Дар озмоиши дарозмуддат дар 1 C суръати коҳиши иқтидор дар ҳар давр:

• Барои ZnS/Ti₃C₂T_x %0,048,
• Барои Ti₃C₂T_x %0,083

гузориш шудааст. Дар саҳифаи 26-и таҳқиқот Шакли 6g нишон медиҳад, ки ҳуҷайраи дорои ZnS дар давоми 1000 давр иқтидори баландтарро нигоҳ доштааст.

Дар матни шарҳи Шакли 6 меъёрҳои графикҳои поёнӣ баръакс навишта шудаанд: гарчанде дар шарҳ барои 6c 1 C ва барои 6g 0,1 C гуфта шудааст, нишонаҳои рӯи графикҳо ва матни асосӣ нишон медиҳанд, ки 6c дар 0,1 C озмоиши 200 даврро ва 6g дар 1 C озмоиши 1000 даврро ифода мекунад. Дар ин мақола тафсире асос гирифта шудааст, ки бо нишонаҳои график, матни асосӣ ва хулоса мувофиқ аст.

Таҳқиқот кадом натиҷаҳоро дастгирӣ мекунад?

• Нанозарраҳои ZnS дубора ҷамъ шудани nanosheet-ҳои MXene-ро ба таври назаррас коҳиш додаанд.
• Масоҳати хоси сатҳи дастраси композит тақрибан 8,8 маротиба зиёд шудааст.
• Марказҳои Zn ва Ti бо полисулфидҳои ҳалшавандаи литий таъсири химиявӣ кардаанд.
• Таҳшиншавӣ ва оксидшавии дубораи Li₂S нисбат ба назорати MXene-и холис тезтар гузаштааст.
• Поляризатсияи фаъолсозӣ ва консентратсионӣ коҳиш ёфтааст.
• Ҷараёни shuttle-и полисулфид кам шудааст.
• Дар ҳуҷайраҳои лаборатории санҷидашуда кори суръатӣ ва даврӣ беҳтар шудааст.
• Дар бори сулфури 5 mg cm⁻² нигоҳдории кӯтоҳмуддати иқтидор баланд буд.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки сепаратори ZnS/Ti₃C₂T_x-ро дар миқёси тиҷоратӣ истеҳсол кардан мумкин аст.
• Нишон намедиҳад, ки натиҷаи 1000 давр дар ҳамаи ҳуҷайраҳо ба ҳамин шакл такрор мешавад.
• Исбот намекунад, ки композит дар ҳуҷайраҳои pouch, призмавӣ ё бисёрқабатаи калон ҳамон натиҷаро медиҳад.
• Масъалаи бехатарии электроди манфии литий-металл ва ташаккули дендритро ҳал намекунад.
• Устувории механикии дарозмуддати рӯйпӯши сепараторро бо озмоишҳои стандартӣ тасдиқ намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки ҳангоми кам кардани миқдори электролит ҳамон нишондиҳандаҳо нигоҳ дошта мешаванд.
• Зичии энергияи гравиметрӣ ё ҳаҷмии ҳуҷайраи пурраро ҳисоб намекунад.
• Хароҷот, таъсири экологӣ ё самаранокии истеҳсоли оммавии ZnS ва MXene-ро намеомӯзад.
• Натиҷаҳои таҳқиқот бо тақризи ҳамсолон тасдиқ нашудаанд.

Ин барои таҳқиқоти батарея дар Туркия чӣ маъно дорад?

Таҳқиқот ба як кишвар ё минтақаи муайян хос нест. Таъсири shuttle-и полисулфид ва табдили сусти сулфур дар батареяҳои литий-сулфур мушкилоти умумии илмҳои мавод мебошанд.

Барои арзёбии равиши монанд дар Туркия зарур аст:

• Омӯзиши миқёспазирии маҳаллии истеҳсоли MXene ва ZnS,
• Мутобиқ кардани рӯйпӯш ба истеҳсоли сепаратор бо усули рулон-ба-рулон,
• Ҳисоб кардани таъсири ғафсӣ ва массаи рӯйпӯш ба зичии энергия,
• Озмоиш дар таносубҳои пасти электролит/сулфур,
• Санҷиши иқтидорҳои баланди майдонӣ,
• Тасдиқи оморӣ бо шумораи зиёди ҳуҷайраҳои мустақил,
• Озмоишҳои бехатарӣ ва варам дар ҳуҷайраҳои навъи pouch,
• Омӯзиши реаксияҳои паҳлуӣ дар сатҳи литий-металл,
• Барқарорсозии мавод ва арзёбии давраи ҳаёт

мебошад. Қиматҳои лаборатории таҳқиқот набояд пеш аз анҷом додани ин марҳилаҳои иловагӣ бевосита ҳамчун кори батареяи тиҷоратӣ тафсир шаванд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Хулосаи техникии истеҳсоли мавод

Характеризатсияи мавод

Усулҳои электрохимиявӣ

Натиҷаҳои асосии кор

Нуқтаҳои қавии таҳқиқот

• Тарҳи мавод, характеризатсияи сохторӣ ва озмоишҳои ҳуҷайраи пурра дар як таҳқиқот муттаҳид шудаанд.
• Нақши ZnS на танҳо ҳамчун катализатор, балки ҳамчун фосилагузори сохторӣ низ омӯхта шудааст.
• Адсорбсияи полисулфид бо озмоиши визуалӣ, UV–vis ва XPS якҷоя арзёбӣ шудааст.
• Самтҳои коҳиш ва оксидшавӣ бо PITT алоҳида санҷида шудаанд.
• Поляризатсияи фаъолсозӣ ва консентратсионӣ аз ҳам ҷудо карда шудаанд.
• Табдили маҳсулоти мобайнӣ бо таҳлили in situ Raman бо гузашти вақт пайгирӣ шудааст.
• Шароити гуногуни истифода ба монанди кори суръатӣ, 200 давр, бори баланди сулфур ва 1000 давр арзёбӣ шудаанд.
• Дар таҳқиқот изҳороти маблағгузорӣ ва бархӯрди манфиатҳо мавҷуданд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

• Таҳқиқот аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст.
• Дар матни боршуда бахши ҷудогона ва муфассали усули таҷрибавӣ мавҷуд нест.
• Шаклҳои иловагии S1–S14, ки ба онҳо истинод шудааст, ба файли таҳқиқоти боршуда дохил нестанд.
• Миқдори прекурсорҳои ZnS ва таносуби дақиқи ZnS дар композит намерасад.
• Ғафсии рӯйпӯши сепаратор ва масса ба воҳиди масоҳат гузориш нашудаанд.
• Таркиби катоди сулфур ва таносуби пайвасткунандаҳо дода нашудаанд.
• Таркиби электролит ва таносуби электролит/сулфур шарҳ дода нашудаанд.
• Ғафсии фолгаи литий ва таносуби иқтидори манфӣ/мусбат дода нашудаанд.
• Ҷузъиёте ба монанди навъи ҳуҷайра ва фишори ҷамъкунӣ муайян нашудаанд.
• Шумораи такрорҳои мустақили ҳуҷайра гузориш нашудааст.
• Дар графикҳои даврӣ инҳирофи стандартӣ ё фосилаи эътимод мавҷуд нест.
• Ҳамаи параметрҳои ҳисобҳои энергияи фаъолсозӣ ва коэффисиенти диффузия дода нашудаанд.
• Якпорчагии механикии дарозмуддати рӯйпӯш ба таври миқдорӣ чен нашудааст.
• Озмоиши бори баланди сулфур танҳо барои 50 давр идома ёфтааст.
• Тасдиқи ҳуҷайраи навъи pouch ё калонтар анҷом дода нашудааст.
• Барои додаҳои хом, коди таҳлил ва дорухати пурраи таҷрибавӣ пайванди дастрасии кушода дода нашудааст.

Мушкилоти муҳими гузоришдиҳӣ дар матн ва тасвирҳо

Дар шарҳи Шакли 6 шароити даврӣ бо ҳам омехта шудаанд. Мувофиқи матни асосӣ ва нишонаҳои график:

• Шакли 6c дар 0,1 C озмоиши 200 даврро,
• Шакли 6g дар 1 C озмоиши 1000 даврро

нишон медиҳад. Шарҳи шакл бошад ин ду меъёрро баръакс навиштааст. Дар мақола нишондиҳандаи умумии матни асосӣ, хулоса ва нишонаҳои дохили график асос гирифта шудааст.

Таҳқиқоти иловагӣ барои қавитар кардани натиҷаҳо

• Нашри усули пурраи таҷрибавӣ ва маълумоти иловагӣ,
• Санҷиши ҳадди ақал чанд ҳуҷайраи мустақил дар ҳар шароит,
• Гузориши миёна, инҳирофи стандартӣ ва фосилаҳои эътимод,
• Озмоиш дар таносуби пасти электролит/сулфур,
• Истифодаи катодҳои дорои иқтидори майдонии баландтар,
• Ҳисоб кардани таъсири массаи рӯйпӯш ба зичии энергияи ҳуҷайраи пурра,
• Баланд кардани миқёс бо ҳуҷайраҳои навъи pouch,
• Омӯзиши сатҳи литий-металл баъд аз даврҳо,
• Озмоишҳои кандашавии рӯйпӯш ва устуворӣ ба сӯрохшавӣ,
• Даврҳои дарозмуддати бори баланди сулфур,
• Оптимизатсияи параметрии таносуби ZnS ва андозаи нанозарра,
• Мубодилаи додаҳои хом ва дорухати истеҳсол дар анбори кушода

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

• Номи аслии таҳқиқот: In Situ Grown ZnS Nanoparticles on Ti3C2Tx MXene as Dual-Functional Spacers for Boosted Sulfur Redox Kinetics in Lithium-Sulfur Batteries
• Муаллифон: QiuHong Zhang; XingYu Liu; JingYue Gao; Xu Yang; YuFei Zhang; Yang Zhao; Qi Jin
• Тартиби муаллифон: Муаллифон дар боло бо тартиби аслии саҳифаи унвон дода шудаанд.
• Саҳми баробар ё муаллифии якуми баробар: Изҳорот мавҷуд нест.
• Муаллифони масъул: YuFei Zhang; Yang Zhao; Qi Jin
• Почтаи электронии YuFei Zhang: zhangyufei230103@163.com
• Почтаи электронии Yang Zhao: zhaoyang032016@163.com
• Почтаи электронии Qi Jin: jinqi@hrbnu.edu.cn
• Муассисаи якум: Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials, Ministry of Education; School of Physics and Electronic Engineering, Harbin Normal University, Harbin, Чин
• Муассисаи дуюм: College of Science, Qiqihar University, Qiqihar, Чин
• Мутобиқати муассиса: Yang Zhao дар саҳифаи унвон бо Qiqihar University; муаллифони дигар бо Harbin Normal University алоқаманд нишон дода шудаанд.
• Соли таҳқиқот: 2026
• Санаи дақиқи боргузорӣ: Дар матни таҳқиқоти боршуда нишон дода нашудааст.
• Навъи манбаъ: Матни таҳқиқоти таҷрибавии preprint, ки аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст
• Платформаи нашр: SSRN
• Оператори платформа: Elsevier
• DOI-и preprint: 10.2139/ssrn.7196302
• Сабти расмӣ:Саҳифаи расмии таҳқиқот дар SSRN
• Пайванди доимии DOI:10.2139/ssrn.7196302
• Маҷалла: Нашр шудан дар маҷаллаи peer-reviewшуда тасдиқ нашудааст.
• Ношири аслӣ: Ношири маҷаллаи peer-reviewшуда вуҷуд надорад; таҳқиқот дар платформаи preprint-и SSRN пешниҳод шудааст.
• Ҳолати тақриз: Дар ҳар саҳифаи таҳқиқот гуфта мешавад, ки он аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст.
• Маблағгузорӣ: National Natural Science Foundation of China, 22409044; Natural Science Foundation of Heilongjiang Province, LH2023E079
• Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди маълуми манфиатҳои молиявӣ ё муносибати шахсие, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.
• Дастрасии додаҳо: Барои додаҳои хом пайванди анбори кушодаи додаҳо дода нашудааст.
• Маводи иловагӣ: Дар матни асосӣ ба шаклҳои иловагии S1–S14 истинод мешавад, аммо ин замимаҳо дар файли боршуда мавҷуд нестанд.

Саҳмҳои CRediT: QiuHong Zhang; тарҳи аввал, тартибдиҳии додаҳо, таҳқиқот ва таҳлили формалӣ. XingYu Liu; тартибдиҳии додаҳо ва таҳқиқот. JingYue Gao; таҳқиқот ва таҳлили формалӣ. Xu Yang; тартибдиҳии додаҳо ва таҳлили формалӣ. YuFei Zhang; баррасӣ ва таҳрир, захираҳо, тартибдиҳии додаҳо ва назорат. Yang Zhao; баррасӣ ва таҳрир, ба даст овардани маблағгузорӣ ва таҳлили формалӣ. Qi Jin; баррасӣ ва таҳрир, усул, ба даст овардани маблағгузорӣ, таҳқиқот, консептуализатсия ва тартибдиҳии додаҳо.

Мундариҷаи илмии ин мақолаи Verianla танҳо бар асоси матни асосӣ, таҳлилҳои сохторӣ, озмоишҳои адсорбсия, ченкуниҳои XPS, додаҳои электрохимиявӣ, натиҷаҳои in situ Raman ва графикҳои Шаклҳои 1–6-и таҳқиқоти боршуда омода шудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии DOI, сабти SSRN, муаллифон ва маълумоти муассиса истифода шуда, аз манбаъҳои беруна бозёфти нави илмӣ илова нашудааст.

Азбаски қисми муҳими ҷузъиёти усули таҷрибавӣ ва тамоми маълумоти иловагӣ дар таҳқиқот мавҷуд нест, синтез, рӯйпӯши сепаратор ва ҷамъкунии ҳуҷайраро мустақилона ба ҳамон шакл такрор кардан мумкин нест. Ин камбудӣ маънои нодуруст будани натиҷаҳоро надорад; аммо санҷишпазирии нишондиҳандаҳои ададӣ ва интиқолпазирии онҳоро ба лабораторияҳои дигар маҳдуд мекунад.

Он ки озмоиши 200 давр дар 0,1 C ва озмоиши 1000 давр дар 1 C анҷом дода шудааст, бо матни асосӣ, хулоса ва нишонаҳои дохили график дастгирӣ мешавад. Ифодаҳои меъёри баръакс дар шарҳи Шакли 6 бесадо ислоҳ нашудаанд ва дар ин ёддошти манбаъ ошкоро зикр шудаанд.