加拿大滑鐵盧大學陳忠偉團隊: Adv. Funct. Mater: 二硫化鉬/硫摻雜石墨烯用于超長循環壽命鈉離子電池

【研究背景】

鈉離子電池因其顯著的成本優勢相比于鋰離子電池而言有望在大規模儲能領域得到廣泛的應用。然而在研發具有高可逆容量，超長循環壽命的高性能鈉離子電池負極時仍存在巨大的挑戰。在備受關注的鈉離子電池負極材料中，二硫化鉬因其獨特的二維結構和理論容量高等特點，是極具有潛力的新型負極材料。然而二硫化鉬因為材料的導電性和結構的不穩定性導致了復合材料電極的倍率性能和循環穩定性的不足，從而限制了該材料的應用。因此通過從分子級別來設計具有穩定結構的二硫化鉬復合材料以提高材料的倍率性能和循環穩定性具有至關重要的意義。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉教授在先進鈉離子電池研究方面取得重要進展并在國際知名期刊 《Advanced Functional Material》上發表了題為 Enhanced Reversible Sodium-ion Intercalation by Synergistic Coupling of Few-layered MoS₂ and S-doped Graphene的研究論文。研究人員首次研發出低層數的二硫化鉬-硫摻雜石墨烯納米片二維復合材料（MoS2/SG）的高容量鈉離子電池負極。低層數二硫化鉬與摻雜在石墨烯上的硫原子之間具有協同耦合作用，使得摻雜硫原子的電子云從SG向MoS2 偏移。該方法通過共價摻雜的硫原子將MoS2和SG這兩種二維材料更緊密的結合在一起，從而抑制了二硫化鉬在鈉離子嵌入脫出時導致的結構破壞并提高了材料的導電性，顯著提高了復合材料電極的循環壽命及倍率性能。在1A g^-1的電流密度下循環充放電1000圈后復合材料電極的可逆容量保持率仍高達85%。

【圖文導讀】

圖1? MoS2/SG 復合材料的結構示意圖

圖2 MoS2/SG 復合材料的形貌表征

（A）MoS2/SG的SEM圖像， （ B, C, D）MoS2/SG 的 TEM 圖像

圖3 ?MoS2/SG的結構表征

(A)MoS2/SG 復合結構的HRTEM 圖像

(B)MoS2/SG 的XRD 圖譜

(C)MoS2/SG 復合材料的EDX Mapping 圖像

(D)MoS2/SG 復合材料的 TGA-DTG曲線

圖4 MoS2/SG 復合材料的電化學表征

(A)MoS2/SG 復合材料電極的CV 測試曲線

(B)MoS2/SG 復合材料電極的充放電測試曲線

(C)MoS2/SG 復合材料電極的循環性能和庫倫效率曲線

(D)循環測試后的MoS2/SG 復合材料的形貌及組分表征

圖5 MoS2/SG復合材料的協同效應示意圖

(A)MoS₂, SG 和MoS2/SG 的S 2p的核心級XPS光譜

(B)MoS₂, SG 和MoS2/SG 的Mo 3d的核心級XPS光譜

(C)MoS2/SG 界面上摻雜硫原子的電子云偏移的示意圖

圖6 MoS2/SG復合材料的長循環和倍率性能

(A)3.0-0.005V 下的MoS2/SG 復合材料電極的長循環測試曲線

(B)3.0-0.4V 下的MoS2/SG 復合材料電極的長循環測試曲線

(C)不同電流密度下的MoS2/SG 復合材料電極的充放電測試曲線

(D)0-0.005V 下的MoS2/SG 復合材料電極的倍率性能

【小結】

該工作的創新之處在于通過從分子級別來設計MoS2/SG 復合材料并將其應用于鈉離子電池的應用中。利用摻雜硫原子將二硫化鉬和硫摻雜石墨烯橋接在一起的方法制備出具有穩健架構的復合材料，顯著提高了復合材料的結構穩定性與導電性。這項工作拓寬了設計層狀過渡金屬氧化物、硫化物等鈉離子負極材料的研究思路。

文獻鏈接：Enhanced Reversible Sodium-ion Intercalation by Synergistic Coupling of Few-layered MoS₂ and S-doped Graphene（Advanced Functional Material，2017，DOI:?10.1002/adfm.201702562）

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