澳大利亞昆士蘭大學趙修松教授Adv.Energy Mater. :擴層MoS2/石墨烯電極材料在Mg2+/Li+混合電池中的應用

【引言】

由于鋰離子電池枝晶生長引起的安全問題，以及其取代物（石墨）較低容量性能，多價態離子電池已經持續引起人們的關注。高價態金屬，如Mg，Al可直接作為電極用以解決目前鋰電池所面臨的困境。其中Mg電極展示了極高的可逆容量和近乎100%的庫倫效率。除此之外，Mg²⁺電池因為不生成枝晶其安全性較鋰電池大大提升。更重要的一點，由于Mg²⁺由于其正二價，在充放電中能夠轉移更多的電子，其容量比石墨基底的鋰電池更高。

【成果簡介】

?Mg²⁺/Li⁺混合電池是一種具有應用前景的能源器件，它結合了Mg²⁺和Li⁺兩種離子各自的電化學的優勢。近日，來自澳大利亞昆士蘭大學趙修松教授和Nanjundan Ashok Kumar（共同通訊）在Adv.Energy Mater.上發文，題名“A Hybrid Mg²⁺/Li⁺ Battery Based on Interlayer-Expanded MoS₂/Graphene Cathode”。文中介紹了MoS₂—石墨烯作為Mg²⁺/Li⁺混合電池的電極材料。該種電池的優勢就是同時利用Mg²⁺和Li⁺進行插層。該電池在電流密度為20 mA g^?1時容量可達到300 mA h g^?1，能量密度高度316.9 W h kg^?1與鋰電池相當，并且還不會形成枝晶。該種新型電極材料為以后制備一種安全，高能量密度電池提供了新的思路。

【圖文導讀】

?圖1 MoS₂-石墨烯泡沫制備示意圖

圖中所示MoS₂-石墨烯泡沫制備過程。該過程采用水熱法制備得到MoS₂-石墨烯復合物。

圖2 石墨烯泡沫生長MoS₂之前和之后的SEM

圖a. 石墨烯泡沫反應之前圖像

圖b. MoS₂生長在石墨烯泡沫圖像。

圖c. MoS₂-石墨烯泡沫放大圖像。

圖3 塊狀MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的結構表征

圖a. 塊狀MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的XRD。

圖b. 三種材料的拉曼圖譜。

圖4 塊狀MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的高倍TEM以及分子模型

圖a, a’. 塊狀MoS₂不同倍數的TEM。

圖b, b’. 石墨烯泡沫不同倍數的TEM

圖c, c’. MoS₂-石墨烯泡沫不同倍數的TEM。

圖5 不同正極材料在Mg²⁺和Mg²⁺/Li⁺電池中的電化學性能圖

圖a. 不同正極材料在Mg²⁺電池中的性能。

圖b. 不同正極材料在Mg²⁺/Li⁺電池中的性能。圖中測試的電流均為20 mA g^?1，且電壓窗口均為0.01至2.0 V

圖6. 塊狀MoS₂和MoS₂-石墨烯泡沫復合物在不同電池中的性能

圖a, c. 塊狀MoS₂分別在Mg²⁺電池和Mg²⁺/Li⁺電池中的循環伏安圖。

圖b, d. MoS₂-石墨烯泡沫復合物分別在Mg²⁺電池和Mg²⁺/Li⁺電池中的循環伏安圖。

上圖所有掃速均為0.2 mv/s

圖7 塊狀MoS₂和MoS₂-石墨烯泡沫復合物的XPS圖

圖a, c. Mo的3d圖譜。

圖b, d. S的2p圖譜。

圖8 MoS₂-石墨烯泡沫電極材料在Mg²⁺/Li⁺電池中的倍率性能圖

圖a. MoS₂-石墨烯泡沫在Mg²⁺電池中的倍率性能。

圖b. 對比于已報道文獻的倍率性能。

圖c. 電流密度為500 mA g^?1的循環穩定性。

圖d. 在500 mA g^?1下第2圈和第500圈的充放電曲線。

圖9 循環以后的TEM

圖a. MoS₂-石墨烯泡沫循環10圈后的TEM圖。

圖b. MoS₂-石墨烯泡沫循環50圈后的TEM圖。

圖10 阻抗圖

【小結】

?這項工作介紹了一種雙離子電池，其中Mg作為負極，MoS₂作為正極，用雙鹽電解液作為電池的電解液。在該種電池中Mg²⁺和Li⁺對電性能均有貢獻。在電流密度為20 mA g^?1時，容量可達300 mA h g^?1，此外以500 mA g^?1的電流進行循環200圈穩定性可達81%。該種電池在未來具有實際應用價值。

文獻鏈接：A Hybrid Mg²⁺/Li⁺ Battery Based on Interlayer-Expanded MoS₂/Graphene Cathode （Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700317）

本文由材料人編輯部新人組吳淏供稿，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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