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双离子扩散路径1T MoS2钠电负极

 2H半导体相MoS2作为钠电负极具有670mAh/g的理论容量,但其导电性差,结构易粉碎且颗粒易聚集,导致循环稳定性较差。1T金属相MoS2具有高的电导率和亲水性,使其在电化学储能中具有快速的电子传输和离子扩散。这些独特的特征使1T MoS2成为有竞争力的新兴能量储存材料。为了解决钠离子缓慢的动力学,美国东北大学的Zhu Hongli教授团队利用简单的方法在中空石墨烯管的内表面和外表面上原位合成1T MoS2的薄层,形成3D MoS2-石墨烯夹层结构复合材料。该结构具有以下优点:1) 可提供双重钠离子扩散路径,2) 显着增加单位面积的活性物质含量,3) 为1T MoS2提供机械支撑,并且可以作为独立电极,而无需添加粘合剂和导电剂。

双离子扩散路径1T MoS2钠电负极

图1.三维MoS2-石墨烯-MoS2结构的水热制备示意图。

双离子扩散路径1T MoS2钠电负极

图2. a)3D石墨烯泡沫结构, b,c)双重涂层石墨烯管的高倍图像, d)管外表面上的1T MoS2的高倍率图像,e)管内表面上的1T MoS2的高倍率图像,f)石墨烯管的横截面。

电化学性能测试:在50 mA/g的电流密度下首次放电容量为630mAh/g,经过活化后,第10次循环放电容量为340mAh/g,200次循环后为313mAh/g;循环过程中库仑效率为99%,表明每个循环中副反应可忽略不计;而多层石墨烯的储钠容量为零,表明复合材料的容量来自1T MoS2。倍率性能:在0.5, 0.8, 1.0, 1.5和2.0A/g电流密度进行10个循环,分别得到241, 222, 208, 190和175mAh/g的可逆容量;当电流密度恢复到0.05A/g时,容量恢复到初始水平313 mAh/g。随后作者也通过电化学阻抗来进一步证明了材料优异的循环容量和循环性能。

双离子扩散路径1T MoS2钠电负极

图3. a)充放电曲线,b)CV曲线,c)在50mA/g电流密度下的容量和库仑效率,d)MoS2-石墨烯电极的倍率性能,e)电化学阻抗谱

1T MoS2-石墨烯电极优异的储钠性能可归因于其高导电性、3D网状结构和中空结构。1T MoS2-石墨烯具有以下优点:1)具有高导电性,有助于材料在高电流密度下保持高容量和稳定性;2)石墨烯基底不仅阻止了MoS2纳米颗粒的聚集,而且作为导电基底促进电极反应期间的电子传输;3)MoS2-石墨烯的三维中空结构增大了电极/电解质接触面积,进一步提高了电解质离子扩散能力,从而提高了倍率性能;4)无需添加剂可有效利用活性材料并大大提高导电性和离子扩散性能

材料制备过程:

3D石墨烯泡沫的制备:3D Ni泡沫在Ar(500sccm)和H2(200sccm)气氛下加热至1000℃并退火5分钟以消除表面氧化物层。然后在常压力下通入少量流速为10sccm的CH4,反应5分钟后,将样品在Ar(500sccm)和H2(200sccm)气氛下以100℃/min的速率快速冷却至室温。之后,用0.1 M的FeCl3溶液将Ni蚀刻掉,直到3D软质石墨烯泡沫悬浮在乙醇中。

1T MoS2覆盖3D石墨烯泡沫的制备:将12mg MoO3和24mg硫代乙酰胺加入到10mL乙醇中,随后在500rpm下磁力搅拌1小时。然后将石墨烯泡沫浸入到溶液中,之后转移到高压釜中,并在200℃的炉中保持18小时,随后冷却至室温并用去离子水和乙醇分别洗涤,并在50℃下干燥2小时。

Xiumei Geng, Yucong Jiao, Yang Han, Alolika Mukhopadhyay, Lei Yang, Hongli Zhu, Freestanding Metallic 1T MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., 2017, 1702998, DOI: 10.1002/adfm.201702998

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