大連理工Nano Energy：碳纖維上生長超寬層間距MoS2材料的儲鈉應用

【引言】

近年來，鈉離子電池中的原料金屬鈉與鋰離子電池中的金屬鋰相比，具有成本低、儲量豐富等一系列優勢，吸引了眾多研究者的關注。隨著鈉離子電池的發展，其倍率性能和循環性能不佳的問題也日趨顯著。贗電容儲能不僅能夠提供類似于電池的較高能量密度，同時也能具有電雙層電容器一般較高的功率密度，可見尋找具有良好的贗電容容量的先進電極材料是解決目前鈉離子儲能設備相關問題的有效手段。MoS₂材料由于類似石墨烯的層狀結構，在儲能方面有極大的優勢，將其與導電三維碳材料基底復合之后，能夠進一步提升材料的綜合性能。

【成果簡介】

近日，來自大連理工大學的于暢教授、邱介山教授和韋仕敦大學的孫學良教授（共同通訊作者）在Nano Energy上發表了題為“Enhanced Sodium Storage Capability Enabled by Super Wide-Interlayer-Spacing MoS2 Integrated on Carbon Fibers”的文章。該文章以碳纖維作為基底材料，在碳纖維上生長具有超寬層間距（傳統材料間距的兩倍層間距）的納米花狀MoS₂材料（以下簡稱E-MoS₂/碳纖維）。在碳纖維上生長的超寬層間距MoS₂材料，不僅保證了電子的快速傳輸，同時被賦予柔性特性。超寬層間距納米花狀MoS₂材料在縮短離子擴散距離和減小阻抗的同時，進一步增大了他們的有效接觸面積，有益于實現能量的快速轉換。此外，超寬層間距也為充放電過程提供了內應變的緩解空間。得益于以上組合結構的優點，文中進一步證明了當無粘結劑的柔性E-MoS₂/碳纖維作為負極材料時，鈉離子電池和鈉離子混合電容器中具有良好的電化學性能。其中，用于鈉離子負極材料時，材料具有良好的倍率性能和循環穩定性，在20 A/g電流密度下比容量為104 mAh/g，能夠穩定循環3000圈；用于鈉離子混合電容器中，由于其優異的贗電容特性，使得最終組裝得到的電容器具有較高的能量密度和功率密度。

【圖文導讀】

圖1 E-MoS₂/碳纖維的合成及形貌表征

（a）E-MoS₂/碳纖維的合成示意圖

（b）-（d）E-MoS₂/碳纖維不同放大倍率的SEM圖

（e）E-MoS₂/碳纖維形貌的SEM圖及選區元素分析

（f）E-MoS₂/碳纖維形貌的自支撐性和柔性的特性表征

圖2 E-MoS₂/碳纖維的形貌與物相結構表征

（a）-（c）E-MoS₂/碳纖維的TEM及HRTEM圖

（d）商業化MoS₂、碳纖維、MoS₂/碳纖維和E-MoS₂/碳纖維的XRD圖譜

（e）不同層間距的MoS₂材料層狀結構模型

（f）碳纖維、E-MoS₂/碳纖維和商業化MoS₂材料的Raman光譜圖

圖3 商業化MoS2和E-MoS₂/碳纖維的局部化學結構和環境表征

（a）商業化MoS2和E-MoS₂/碳纖維的K能級的XANES圖譜

（b）商業化MoS2和E-MoS₂/碳纖維K能級的傅里葉變換EXAFS圖譜

圖4 E-MoS₂/碳纖維作為鈉離子電池負極的電化學性能表征

（a）E-MoS₂/碳纖維在0.1 mV/s掃速下的CV曲線

（b）電流密度為50 mA/g時，E-MoS₂/碳纖維的充放電曲線

（c）E-MoS₂/碳纖維、MoS₂/碳纖維及碳纖維的倍率性能對比

（d）E-MoS₂/碳纖維在不同電流密度下，恒電流充放電曲線圖

（e）E-MoS₂/碳纖維、MoS₂/碳纖維及碳纖維的循環性能表征

（f）電流密度為5 A/g和10 A/g時，E-MoS₂/碳纖維的循環性能曲線

圖5 E-MoS₂/碳纖維在鈉離子電池中的贗電容特性分析

（a）E-MoS₂/碳纖維在不同掃描速率下的CV曲線圖

（b）在電壓0.8 V時，E-MoS₂/碳纖維的電流-掃速關系圖

（c）E-MoS₂/碳纖維的b值-電壓關系圖，內置圖為E-MoS₂/碳纖維在不同電壓下的電流-掃速關系圖

（d）不同掃描速率下，電容型容量貢獻和電池型容量貢獻比例圖

圖6 E-MoS₂/碳纖維與活性炭組裝得到的鈉離子混合電容器（E-MoS₂/碳纖維//活性炭）的電化學性能表征

（a）在不同電流密度下，E-MoS₂/碳纖維//活性炭混合鈉離子電容器的恒流充放電曲線

（b）E-MoS₂/碳纖維//活性炭混合鈉離子電容器的Ragone圖及與其他儲能設備的對比圖

【總結】

研究人員通過簡單的制備方法得到了生長在碳纖維上具有超寬層間距（大于1.34 nm）的MoS₂納米花材料，其間距是傳統MoS₂材料層間距（約0.62 nm）的約兩倍寬。最終得到的E-MoS₂/碳纖維不僅能夠縮短離子擴散的距離、減小離子擴散的阻抗，還能擴大反應過程中的有效面積。進一步將該柔性電極材料應用到鈉離子電池和鈉離子混合電容器中，均表現出了良好的電化學性能。該工作為配置柔性電極提供了簡單而有效的策略，同時激勵研究人員進一步開發能夠實現高倍率、長壽命儲鈉的贗電容材料。

文獻鏈接：Enhanced Sodium Storage Capability Enabled by Super Wide-Interlayer-Spacing MoS₂ Integrated on Carbon Fibers（Nano Energy，2017，DOI：10.1016/j.nanoen.2017.08.030）

本文由材料人新能源前線沐雨若晴供稿，材料牛整理編輯。

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