Adv. Energy Mater.：MoS2/石墨烯納米片在高倍率性能鈉離子電池上的應用研究

【引言】

地球上豐富的鈉資源儲量，使得可充電鈉離子電池在大規模能量儲存領域顯示出巨大的潛能。但是，相對較大的離子半徑導致鈉離子電池（SIBs）的比容量、循環性能和倍率性能與鋰離子電池（LIBs）之間均存在一定的差距。研究發現：二維層狀材料與石墨的結合可以有效改善材料的儲鈉性能。在目前廣泛研究的二維層狀材料中，MoS₂的理論可逆容量高達670 mAh·g^-1，具備優異的儲鈉潛能。需要指出的是：MoS₂的導電性較差，儲鈉過程中結構會發生明顯的變化，因此實際電化學儲鈉性能并不理想。石墨烯具備優異的機械性能和電學性能，通過與MoS₂的復合可以有效提高MoS₂的的儲鈉性能。

【成果簡介】

近日，中南大學的王海燕副教授和昆士蘭大學的王連洲教授（通訊作者）等，在Adv. Energy Mater.上發表了題為“MoS₂/Graphene Nanosheets from Commercial Bulky MoS₂ and Graphite as Anode Materials for High Rate Sodium-Ion Batteries” 的研究論文，報道了MoS₂/石墨烯復合材料在高性能鈉離子電池中應用的最新研究進展。研究人員以市售的MoS₂塊體和石墨為原料，借助球磨引發的化學插層和物理剝離，成功制備了MoS₂/石墨烯納米片復合材料。研究發現：該方法獲得的MoS₂/石墨烯材料具有優異的倍率性能和循環穩定性；當電流密度為20 A·g^-1時，儲鈉容量高達284 mAh·g^-1；當電流密度為50 A·g^-1時，仍可保持201 mAh·g^-1的高放電容量；當電流密度為0.3 A·g^-1時，循環250圈后容量保持率高達95 %。理論計算發現：缺陷及含氧官能團較少的MoS₂/石墨烯復合材料具有更高的離子擴散系數及電子電導率。

【圖文導讀】

圖-1. MoS₂/G納米片的合成示意圖

圖-2. MoS₂及石墨烯納米片的SEM圖像

(a) 市售塊狀石墨的SEM圖像；

(b) 實驗制備的石墨烯的SEM圖像；

(c) 實驗制備的石墨烯的AFM圖像；

(d) 市售MoS₂塊體的SEM圖像；

(e) 實驗制備的MoS₂納米片的SEM圖像；

(f) 實驗制備MoS₂的AFM圖像；

(g) MoS₂/G的SEM圖像；

(h) MoS₂/GO的SEM圖像。

圖-3.?實驗測得的TEM、HRTEM及STEM-EDS圖像

(a)-(b) 實驗制備的石墨烯的TEM圖像；

(c) 實驗制的石墨烯的HRTEM圖像；

(d)-(e) 實驗制備的MoS₂的TEM圖像；

(f) 實驗制備的MoS₂的HRTEM圖像；

(g)-(h) MoS₂/G的TEM圖像；

(i) MoS₂/G的HRTEM圖像；

(j) (k) (l) (m) MoS₂/G的STEM-EDS圖像。

圖-4.?MoS₂/石墨烯納米片的循環性能研究

(a) 電流密度為 100 mA.g^-1時，MoS₂/G復合材料的循環性能；

(b) 電流密度為300 mA.g^-1時，MoS₂/G復合材料的循環性能；

(c) 不同電流密度下，MoS₂/G納米片和MoS₂/GO納米片的倍率性能；

(d) 不同電流密度下，文獻和實驗的MoS₂基鈉離子負極材料的倍率性能對比圖。

圖-5. MoS₂/石墨烯納米片的結構表征

(a) MoS₂，石墨烯，MoS₂/G和MoS₂/GO的拉曼圖譜；

(b) MoS₂/G中C-C鍵的XPS圖譜；

(c) 煅燒前MoS₂/GO的XPS圖譜；

(d) MoS₂/GO的XPS圖譜；

(e) 石墨烯的合成 (i) MoS₂/GO (ii) MoS₂/G。

圖-6.?鈉離子電池的CV曲線

(a) MoS₂/G的CV曲線；

(b) MoS₂/GO的CV曲線；

(c) MoS₂/G的峰電流密度與掃描速率平方根曲線；

(d) MoS₂/GO的峰電流密度與掃描速率平方根曲線。

圖-7.?單層MoS₂和石墨烯的原子排列方式及其中鈉離子的擴散方式

(a) 單層的MoS₂和石墨烯的俯視圖；

(b) 單層的MoS₂和石墨烯的側視圖；

(c) (d) (e) 鈉離子以最低能量，通過單層的MoS₂和石墨烯的3種方式。

圖-8.?帶有不同官能團的單層MoS₂和石墨烯的原子排列方式及其中鈉離子的擴散方式

(a) 帶有環氧基的單層MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(b) 帶有環氧基的單層MoS₂和石墨烯中鈉離子的擴散路徑；

(c) 帶有羥基的單層MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(d) 帶有羥基的單層MoS₂和石墨烯中鈉離子的擴散路徑；

(e) 帶有缺陷的單層MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(f) 帶有缺陷的單層MoS₂和石墨烯中鈉離子的擴散路徑。

【小結】

本文采用兩步球磨法制備得到了可用于高倍率性能鈉離子電池的MoS₂/石墨烯納米片負極材料，該方法具有價格低、高產能等優點。實驗結果和DFT計算表明，低缺陷程度的石墨烯可以增加材料的電子電導率，減小鈉離子擴散能壘。因此，MoS₂/石墨烯材料具備出色的電化學性能。這項工作表明，通過對異質界面的功能化設計，能夠有效提高MoS₂/石墨烯電極的電化學性能，同時也為其它石墨烯復合材料的開發和設計提供了一定的思路參考。

文獻鏈接："MoS2/Graphene Nanosheets from Commercial Bulky MoS2 and Graphite as Anode Materials for High Rate Sodium-Ion Batteries" (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702383)。

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本文由材料人編輯部張金陽編譯，張杰審核。

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