蘇州大學&美國阿貢國家實驗室：非晶MOS3作為室溫條件下Li-S和Na-S電池硫當量正極材料

【引言】

目前Li-S和Na-S電池存在的問題主要是其電池反應中存在多硫中間體，盡管近年來人們不斷致力于在正極表面上修飾各種功能材料，以捕獲多硫化物減少影響，但仍舊無法徹底解決這一問題。開發具有高性能、高容量、高穩定性同時電極反應中少有甚至不產生中間多硫化物的正極電極材料成為目前硫電池領域的重要發展需求。

【成果簡介】

近日，蘇州大學李彥光教授與美國阿貢國家實驗室陸俊（通訊作者）合作，在Li-S及Na-S電池正極材料開發領域取得重要進展，并在P. Natl. Acad. Sci.發表題為“Amorphous MoS₃ as the sulfur-equivalent cathode material for room-temperature Li–S and Na–S batteries”的文章。研究者提出了硫當量正極材料的概念，并展示了非晶態MoS₃作為室溫下Li-S和Na-S電池材料的巨大潛力。在Li-S電池中，MoS₃顯示出類似硫的行為，具有大的可逆比容量，同時其優異的循環壽命為實現高容量提供可能性。尤其令人欣喜的是，在55℃的較高溫度下，其在碳酸鹽電解質中也是完全可循環的。MoS₃也可以用作更具挑戰性的Na-S電池的正極材料，以實現良好的容量和較好的循環壽命。通過X射線吸收光譜（XAS）實驗可以追蹤MoS₃的結構演變—在重復電池循環期間，大部分MoS₃保留其原有鏈狀結構而不產生任何游離的多硫化物中間體。

【圖文導讀】

圖1 層狀MoS₃電化學性能

(A)　MoS2在 50 mA / g下1.2到3 V的恒電流充放電曲線；

(B)　MoS2恒電流充放電曲線，其初始循環在0.01和3V之間（活化過程），隨后在1.2和3V之間循環（50mA / g）；

以上兩種測試條件下，層狀的MoS2均表現出小的有用容量；

圖2 MoS₃結構表征

(A)　XRD圖(插圖-1D 鏈狀MoS₃結構示意)；

(B)　拉曼光譜；

(C)　S 2p XPS譜；

(D和E)　不同放大倍率的TEM圖像；

(F)　MoS₃的TGA曲線；

圖3 MoS₃作為Li-S電池硫當量正極電化學性能

(A)　0.1mV / s掃描速率下CV曲線；

(B)　23mA / g時恒電流充放電曲線-將比容量歸一化為MoS₃的總質量(底部x軸)或MoS₃中S的質量(頂部x軸)；

(C)　0.45A / g時循環穩定性和相應的庫侖效率；

(D)　從0.09到9A / g的速率能力；

(E)　前幾個循環中高負載電極(6.9mg / cm ²)在0.1mA / cm ²下的循環穩定性以及隨后提高至0.5mA / cm ²的循環穩定性；

(F)　0.45A / g及55℃碳酸鹽電解質中循環穩定性和相應的庫侖效率；

圖4 Operando XAS研究MoS₃作為Li-S電池硫當量正極材料

(A)　鋰化過程中Mo的 K邊緣演變XANES譜；

(B)　與MoS₂和金屬Mo相比，MoS₃在鋰化和脫鋰過程中的傅里葉變換Mo K-邊緣EXAFS光譜(插圖)放大的圖像顯示在電池循環過程中Mo-S鍵長度的輕微變化；

(C)　鋰化過程中S K邊緣演變XANES譜；

(D)　鋰化MoS₃鏈中的模擬電荷密度分布，青色，藍色和黃色球分別代表Li，Mo和S原子，而綠色和磚紅色區域表示電子的耗盡和積累；

圖5 MoS₃作為Na-S電池硫當量正極材料的電化學性能和Operando XAS研究

(A)　23mA / g下恒流充放電曲線；

(B)　0.45A / g下循環穩定性和相應的庫侖效率；

(C)　0.09到9A / g的速率能力；

(D)　在前幾個循環中高負載電極(7.1mg / cm ²)在0.1mA / cm ²下以及隨后增加至0.5mA / cm ²電極循環穩定性；

(E和F)　Mo K-edge和S K-edge演變 XANES譜；

【小結】

本研究展示了無定形鏈狀MoS₃作為室溫硫電池的硫當量正極材料的優質性能。此外，該電極在水溶液中通過酸沉淀法就可以獲得，制備方法簡單。在Li-S電池中，MoS₃（接近硫）相對于Li ⁺ / Li表現出約1.1V的放電平臺，較高的可逆比容量，優異的循環壽命以及高的區域容量。XAS數據表明MoS₃的重復鋰化和脫鋰不會引起顯著的Mo-S鍵斷裂或Mo-Mo鍵形成。MoS₃也被用作Na-S電池的正極材料，也表現出良好的電池容量和循環壽命。本研究為鋰硫、鈉硫等電池高性能正極材料的開發與設計提供了重要途徑。

文獻鏈接：Amorphous MoS₃ as the sulfur-equivalent cathode material for room-temperature Li–S and Na–S batteries (P. Natl. Acad. Sci., 2017, doi: 10.1073/pnas.1711917114)

本文由材料人編輯部連婷婷編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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