上硅所李馳麟ACS Nano：鋰離子電池的高電容量轉換負極——MoS2-C

【引 言】

隨著電動汽車的大量推廣，鋰離子電池對能量密度的要求越來越高。最新的電極材料已經具備較高的電容量，但是，在充放電循環過程中會出現相分離和體積膨脹，從而導致電極和集流體的接觸不良，甚至出現活性物質從基體的脫落，影響電池性能。因此，需要一個更好的結合設計以維持電極的完整性，緩解電池充放電容量的衰退。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的李馳麟(通訊作者)等人提出了一種超常轉換負極的模型，模型由被薄碳層共形封裝、數百納米尺寸的氣泡型特殊固態MoS₂組成。這種MoS₂-C混合物通過多金屬氧酸鹽（POM）基螯合物的同時自硫化和自碳化獲得。即使是超薄2D納米片，MoS₂-C的儲鋰性能也優于一般MoS₂基的正極。在0.5~1A/g電流密度下，經700次循環后，MoS₂-C的可逆電容量依然高達1500~2000mAh/g，在電流密度為10~20A/g時，其也能維持在1000 mAh/g左右。相關成果以“Supernormal Conversion Anode Consisting of High-Density MoS₂ Bubbles Wrapped in Thin Carbon Network by Self-Sulfuration of Polyoxometalate Complex”為題，發表在2017年6月29日的ACS Nano期刊上。

【圖文導讀】

圖1. MoS₂-C復合材料的合成程序示意圖及相應溶液和粉末的照片

1). 橘色溶液是DTO，白色溶液是L-半胱氨酸，黃色溶液是POM；

2). 黑色粉末是POM-DTO螯合物，深藍色粉末是POM-L半胱氨酸螯合物；

3). 合成過程包括螯合作用與高溫分解。獲得D-MoS₂和L-MoS₂兩種材料；

4). MoS₂-C復合材料形態為氣泡型MoS₂固體被薄碳層包覆，與以葉狀顆粒為主的POM基復合體不同。

圖2. D-MoS₂和L-MoS₂的XRD圖樣及XPS分析

1). 圖a：D-MoS₂和L- MoS₂的XRD圖樣。D-MoS₂的（002）峰值較L- MoS₂明顯，表明前者具備S-Mo-S的有序堆疊；

2). 圖 b、c、d、e、f分別是D-MoS₂及L- MoS₂中Mo 3d、S 2p、C 1s、N 1s、P 2p的X射線光電子能譜。D-MoS₂的Mo 3d、S 2p峰值低于L- MoS₂相應峰值，表明前者有較厚碳包覆層。D-MoS₂的N 1s峰值較L- MoS2高，表明前者具有高氮摻雜量。

圖3. D-MoS₂與L- MoS₂的SEM、TEM圖像及D-MoS₂的STEM圖像

1). 圖a、b分別為D-MoS₂的整體的SEM圖像和放大SEM圖像；圖c、d分別為L-MoS₂的整體的SEM圖像和放大SEM圖像；

2). 圖e、f分別為D-MoS₂的TEM圖像和HRTEM圖像；圖g、h分別為L-MoS₂的TEM圖像和HRTEM圖像；

3). 圖i是D-MoS₂試樣經掃描透射電子顯微鏡獲得的元素mapping圖。

圖4. D-MoS₂與L- MoS₂在鋰離子電池中的性能比較

1). 圖a：電流密度0.5A/g,電壓0.01~3V時充放電容量及庫倫效率比較；

2). 圖b：電流密度從0.5A/g增至20A/g，儲鋰倍率性能比較；

3). 圖c：電流密度為1A/g時，D-MoS₂與D-C的長期循環性能比較；

4). 圖d：電流密度為5A/g時，L-MoS₂與L-C的長期循環性能比較。

圖5. D-MoS₂與L-MoS₂的恒流充放電曲線

1). 圖a、b：D-MoS₂與L-MoS₂分別作為鋰電池負極，在電壓為0.01~3V、電流密度為0.5A/g時，不同循環次數的恒定電流充放電曲線。

圖6. D-MoS₂與L-MoS₂的交流阻抗譜

1). 圖a、b：在5A/g的電流密度下，Li/D-MoS₂電池和Li/L-MoS₂電池分別循環1/500/1000次后的電化學交流阻抗譜；

2). 圖C：對應阻抗譜擬合的等效電路。

圖7. D-MoS₂與L- MoS₂在鈉離子電池中的性能比較

1). 圖a：D-MoS₂作為鈉離子電池負極，在電壓為0.01~3V、電流密度0.1A/g時，不同循環階段的恒定電流充放電曲線；

2). 圖b：D-MoS₂在鈉離子電池中，充放電容量及庫倫效率與循環次數的關系；

3). 圖c：D-MoS₂與L-MoS₂的儲鈉倍率性能比較。

【小 結】

這項工作中，科研人員將幾百納米大小的氣泡型MoS₂晶粒用薄碳層共形包覆，獲得MoS₂-C復合材料，材料的結構形態是通過螯合物DTO-POM（或POM- L半胱氨酸）的同時自硫化及自碳化形成。碳包覆層和周圍更寬的氮磷摻雜碳基質無縫連接，有效避免了活性物質的剝落與導電網絡的斷裂。D-MoS₂具有較好的儲鋰能力，其在0.5A/g的電流密度下，經600次循環后，容量仍接近2000 mAh/g，在電流密度為10~20A/g時，其容量依然高達1000mAh/g。

文獻鏈接：Supernormal Conversion Anode Consisting of High-Density MoS2 Bubbles Wrapped in Thin Carbon Network by Self-Sulfuration of Polyoxometalate Complex

（ACS Nano,2017;DOI:10.1021/acsnano.7b03665）

本文由材料人編輯部新人組謝元林編譯，黃超審核。點我加入材料人編輯部。

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