華東理工大學Adv. Mater.：用于柔性鋰離子電池的3D有序大孔MoS2 @ C納米結構

【引言】

電子設備的未來趨勢是靈活性、小型化和增加便攜性，但柔性鋰離子電池（LIBs）設備仍處于研發的初級階段。尋找可折疊和柔性電極將極大地促進柔性LIBs裝置的運用。制備柔性電極的眾所周知的策略是將活性材料直接涂覆在柔性集流體上（例如碳布，石墨紙）上而不是傳統的銅箔或者鋁箔。但是，活性材料與集流體之間弱的結合力不可避免地導致其從集流體上脫落，導致嚴重的容量衰減。為了加強它們的相互作用，在柔性基板上直接生長活性材料是制造高度集成的柔性電極的方式之一。然而，它們對于柔性LIBs的最大挑戰性問題是在充電/放電過程中，體積變化和活性材料的部分溶解。制造高效柔性電極的關鍵在于高性能和穩定材料的構造以及它們與柔性集電器的牢固粘附性。

二硫化鉬（MoS₂）納米片在鋰離子存儲中是非常有吸引力的材料，因為它們在片層之間具有良好的范德華相互作用。但是實際上，它們很容易在塊體材料中堆積/重新堆疊，尤其是在高倍率下限制鋰離子的存儲空間。阻礙柔性LIB的MoS₂納米片應用的最大問題是其差的倍率性能，這主要是因為其鋰離子擴散緩慢，導電率低，由于在循環過程中材料的體積變化巨大以及多硫化物溶解引起不令人滿意的循環穩定性。

【成果簡介】

為了解決這些問題，近日，華東理工大學江浩教授、李春忠教授、劉宇博士聯合在Advanced Materials發文，題為“3D Ordered Macroporous MoS₂@C Nanostructure for Flexible Li-Ion Batteries”。研究人員提出了一種新型靈活和可折疊的高性能鋰離子電池，通過設計3DOM MoS₂@C納米結構和將其在碳布（標記為MoS₂@C / CC）上原位組裝。用于提高LIB性能的3DOM MoS₂@C的關鍵特征是超小量的多層MoS₂納米片/碳混合物形成3D大孔結構，這避免了MoS₂的堆疊/重新堆疊，并留下足夠的空間用于解決在充電和放電過程中的與體積膨脹相關的問題。因此，3DOM MoS₂@C/CC負極在0.1 mA cm^-2下具有3.428mAh cm ^-2的高放電容量，具有快速充電/放電能力（在5mA cm^-2時為1.361mAh cm ^-2）和優異的循環穩定性（100次循環后的93％容量保持率）。量子密度功能理論（QDFT）計算表明邊緣富集的超小型和少量少層的MoS2納米片有利于提高鋰存儲容量。分別使用合成后的MoS₂@C/CC和商業LiCoO₂ /Al作為正極和負極組裝高的柔性全電池，表現出優異的機械強度和優越的電化學性能。

【圖文導讀】

圖一： MoS2 @ C / CC柔性電極的制備過程示意圖 ??

本圖表明了在碳布上的3DOM MoS2 @ C結合結構的典型制備過程。在第一步中，通過在N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑中聚苯胺的改性獲得一片帶正電荷的碳布。然后，將帶負電荷的聚苯乙烯（PS）納米球均勻分散在硫代鉬酸銨（ATM）和葡萄糖水溶液中，隨后基于靜電吸引在碳布表面上自組裝PS納米球 。然后，通過匹配在碳化期間的ATM分解速率和葡萄糖碳化速率獲得MoS2 @ C / CC柔性電極。

圖二：材料的形貌表征

a-c）SEM圖像和 ? d-f）不同放大倍數的TEM圖像， ?g-j）Mo，S，C元素的TEM-EDS圖。

圖三：電化學性能

a）相對MoS₂ /C比率作為反應程度的函數的熱力學/動力學估計，

b）MoS₂@C / CC和MoS₂/ CC的XRD圖譜和 ? ?c）拉曼光譜，

d）MoS₂@ C / CC，MoS₂ / CC和CC的電子電導率。

圖四：XRD圖譜和拉曼光譜

a，b）負極/正極峰值電流（i_p）與掃描速率（v^1/2）的平方根的線性關系，MoS₂@C / CC和MoS₂/CC的 ? c）倍率性能和 ? d）循環性能（圖d的插圖為100次循環后MoS₂@C/CC的形態），

e）具有不同質量負載的MoS₂@C / CC的容量， ?f）MoS₂@C容量和不同質量負載的線性關系。

圖五：MoS₂晶體的結構

a，b）MoS₂晶體的結構和X，Y和Z方向的定義，

c）MoS ₂中吸附的Li在MoS ₂顆粒的三個表面和內部的結合能，其中X，Y和Z表示分別垂直于X，Y和Z方向的表面，

d）MoS ₂顆粒的X表面上的鋰吸附/解吸。

圖六： 全電池的的示意圖及性能

a）硬幣型全電池的倍率和循環性能，

b）柔性全電池的示意圖，

c-e）在平坦狀態，彎曲狀態下甚至在300個彎曲循環之后都能由柔性全電池照亮的白色LED 。

【總結】

研究人員提出了一種新的3D有序大孔MoS₂ /碳納米結構，其具有大表面積和充足的空間，用于構建高性能柔性和可折疊LIBs。研究人員使用PS納米球作為大孔模板。不同于MoS₂/C混合納米材料，該材料具有柔性基底，有序大孔和超小量少層MoS₂納米片的集成特征。此外，研究人員還組裝了柔性全電池，其表現出優異的機械強度和電化學性能。這種全電池的靈活性和Li ⁺存儲容量使其適用于未來的柔性可穿戴電子設備。

文獻鏈接：3D Ordered Macroporous MoS2@C Nanostructure for Flexible Li-Ion Batteries（Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201603020）

本文由材料人新能源組 背逆時光 供稿，材料牛編輯整理。

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