近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員趙邦傳課題組在MoS2鋰離子電池(LIBs)電極材料研究方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表在ChemElectroChem，Nanoscale，Small 上。

可充電鋰離子電池在電動(dòng)汽車、便攜式電子產(chǎn)品、儲(chǔ)能電網(wǎng)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前商用石墨負(fù)極材料由于理論比容量(372 mAh/g) 較低，無(wú)法滿足人們對(duì)電池能量和功率密度的需求、倍率性能較差，不能很好地匹配正極材料以獲得最佳的電化學(xué)性能。此外，石墨極低的工作電壓使LIBs工作時(shí)存在較大的安全隱患。因此，探索高安全性、高比容量、高倍率性能以及高循環(huán)性能的負(fù)極材料是當(dāng)前LIBs研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

與石墨相比，具有二維/準(zhǔn)二維晶體結(jié)構(gòu)的材料由于具有相對(duì)安全的工作電壓，較大的比表面積、較為豐富的活性位點(diǎn)以及快速的離子/電子轉(zhuǎn)移能力，可被應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。作為二維材料的典型代表，MoS2具有類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)和高理論比容量(669 mAh/g)。然而，MoS2作為L(zhǎng)IBs負(fù)極材料時(shí)存在如因材料導(dǎo)電性不好引起的倍率性能不佳、循環(huán)過(guò)程中因體積變化大引起穩(wěn)定性能差等不足。為解決上述問(wèn)題，課題組對(duì)MoS2電極材料開展了改性研究，獲得了具有較優(yōu)越電化學(xué)性能的MoS2電極材料。

課題組針對(duì)MoS2電極材料導(dǎo)電性較差的問(wèn)題，利用具有較高導(dǎo)電性的金屬Co單質(zhì)和MoS2復(fù)合，有效改善了材料的導(dǎo)電性能，提高了材料的電化學(xué)性能，MoS2/Co復(fù)合材料電極即使在2 A/g的電流密度下其容量仍能保持在700 mAh/g以上，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在ChemElectroChem 上。為進(jìn)一步提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性，采用V4C3MXene (邁科烯)和MoS2進(jìn)行復(fù)合，并結(jié)合碳包覆工藝制備了V4C3-MXene/MoS2/C復(fù)合材料，由于V4C3-MXene可有效增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性和電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，碳包覆可進(jìn)一步穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)并增大材料的比表面積，從而顯著改善了電極材料的電化學(xué)性能，V4C3-MXene/MoS2/C電極在1 A/g電流密度下經(jīng)450次循環(huán)后其容量可達(dá)到600 mAh/g左右，即使在10 A/g的電流密度情況下，容量仍能保持在500 mAh/g左右，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nanoscale上。和上述2H相MoS2相比，1T相MoS2在導(dǎo)電性和層間距上具有優(yōu)勢(shì)，但目前1T相MoS2的制備過(guò)程復(fù)雜，且制備獲得的1T相MoS2也不穩(wěn)定。研究人員采用葡萄糖輔助水熱法合成了具有少層結(jié)構(gòu)的1T相MoS2與碳復(fù)合的1T-MoS2/C材料，該MoS2復(fù)合材料在1A/g電流密度下初始比容量為920.6 mAh/g，經(jīng)300次循環(huán)容量為870mAh/g，在10A/g大電流密度下比容量仍能保持在600 mAh/左右，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Small上。

上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項(xiàng)目的支持。


圖1. MoS2/Co復(fù)合材料的循環(huán)和倍率性能。


圖2. V4C3-MXene/MoS2/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖和倍率性能。


圖3. 1T-MoS2/C復(fù)合材料的合成過(guò)程、反應(yīng)機(jī)制示意圖及倍率性能。