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MoS2纳米片@N掺杂碳纳米壁阵列高性能储钠

钠离子电池以其钠资源丰富、成本低廉和合适的氧化还原电位等特点受到了人们的普遍关注,成为替代锂离子电池的首选。在充放电过程中,由于钠离子半径(1.06 Å)比锂离子的(0.76 Å)大,进而导致体积膨胀和低的能量密度。因此,寻求合适的电极材料是钠离子电池发展的首要挑战。

【南屋实验室】MoS2纳米片@N掺杂碳纳米壁阵列高性能储钠

图1 CC@CN@MoS2复合材料的制备过程示意图。

近期,同济大学程传伟和新加坡国立大学Cao Guan等人通过简单的水热方法在碳布上合成超薄MoS2纳米片@金属有机骨架衍生的N掺杂碳纳米壁阵列(CC@CN@MoS2),作为钠离子电池负极,无需粘结剂,且表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。

【南屋实验室】MoS2纳米片@N掺杂碳纳米壁阵列高性能储钠

图2 (a)CC@CN@MoS2,CC@CN和CC@MoS2电极的首次充放电曲线;(b)在电流密度200mA/g下,CC@CN@MoS2和CC@MoS2电极的循环性能图;(c)不同电流密度下,CC@CN@MoS2和CC@MoS2电极的倍率性能图;(d)在电流密度1A/g下,CC@CN@MoS2和CC@MoS2电极的循环性能图。

CC@CN@MoS2作为钠离子电池负极,表现出良好的储钠性能。在电流密度200mA/g下,循环100圈后,比容量为619.2 mAh/g,容量保持率为93.9%(相对于第二圈),库伦效率为96%。在电流密度分别为0.1, 0.2, 0.5, 1.0和2.0 A/g下,比容量为660, 580, 394, 306和235 mAh/g,这体现了良好的倍率性能。在大电流密度1A/g下,循环1000次,比容量仍高达265 mAh/g,体现良好的循环稳定性。

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图3 CC@CN@MoS2电极储钠机理图。

作者在文中解释了CC@CN@MoS2具有如此优越性能的原因:(1)MoS2的超薄厚度(≈4nm)和较大的层间距(0.65nm)缩短了离子扩散路径,有利于钠离子的脱嵌;(2)CC@CN@MoS2复合材料的特殊结构促进集流体和活性材料的接触,这有助于电子快速转移和保持结构的完整性;(3)复合电极的多孔结构和较大的表面积有利于电解质渗透和界面反应,提供更多钠离子储存活性位点和通道;(4)N掺杂诱导的缺陷有利于钠离子的储存。

参考文献:

Weina Ren, Haifeng Zhang, Cao Guan, and Chuanwei Cheng. Ultrathin MoS2 Nanosheets@Metal Organic Framework Derived N-Doped Carbon Nanowall Arrays as Sodium Ion Battery Anode with Superior Cycling Life and Rate Capability, Adv. Funct. Mater. 2017, DOI:10.1002/adfm.201702116.

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参考文献:

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