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柔性可折叠MoS2@C/碳布复合电极

2012年谷歌眼镜的亮相,引爆了全球对可穿戴设备的关注,各路企业纷纷进军可穿戴领域。然而,火车跑的快全靠车头带,企业都争当“车头”,从而极大地促进了柔性能源器件的快速发展!

电子设备的发展逐渐趋向于小型化,灵活便携,然而能源存储器件的发展却稍显滞后,传统锂离子电池已经不适于新型电子设备,尤其是柔性可穿戴设备。现有柔性电极制备策略是将活性物质直接涂覆于或者直接生长在柔性集流体上(如碳布,石墨纸)。然而,活性物质在循环过程中粉化脱落问题尚未得到完美解决,从而导致电池循环性能较差。

柔性可折叠MoS2@C/碳布复合电极

图1.a-c) MoS2@C/CC的SEM图像, d-f) MoS2@C/CC的TEM图像, g-i) MoS2@C/CC的TEM-EDS图谱

近日,华东理工大学李春忠教授、江浩教授以及刘宇副教授等人设计了一种用于高性能可折叠锂离子电池的三维有序大孔(3DOM) MoS2@C纳米结构,并在碳布上进行原位组装得到MoS2@C/CC 超小量的MoS2纳米片与C混合形成3D大孔结构,不仅有效避免了MoS2的堆积/重新堆积,而且留下了足够的空间以适应充放电过程的体积膨胀。根据量子密度泛函理论(QDFT)——边缘富集的超小MoS2纳米片有利于提高锂存储容量,由此表现出高容量和优异的循环稳定性。

柔性可折叠MoS2@C/碳布复合电极

图2. MoS2@C/CC的电化学性能测试

电化学性能测试表明:0.1mA cm-2电流密度下快速充放电,放电容量高达2.428mAh cm-2(在5mA cm-2下可达1.361mAh cm-2),且100次循环后容量保持率可达93%使用商业LiCoO2/Al和合成的MoS2@C/CC 作为正负极组装而成的全电池,表现出优异的机械强度和电化学性能。这一成果为硫化物电极用于柔性可穿戴设备提供了新的研究思路和方向。

柔性可折叠MoS2@C/碳布复合电极

图3.MoS2@C/CC的合成示意图

合成步骤:

3DOM MoS2@C/CC柔性电极的制备:负电荷PS-COOH球体预先用丙烯酸改性。首先,在惰性气体70℃下,将5mL苯乙烯,0.5mL丙烯酸,0.12g Na2CO3和0.1g过硫酸铵溶解在100mL去离子(DI)水中搅拌7小时。将白色悬浮液透析纯化3天,并在50℃烘箱中干燥。随后,用丙酮和去离子水连续洗涤一块碳布(CC,WOS1002)以除去杂质,在60℃下真空干燥。然后,将经预处理的碳布浸入聚苯胺/N-甲基-2-吡咯烷酮溶液(0.025wt%)中1小时,以使其带正电荷。接着浸入前驱体油墨中(20mg葡萄糖,40mg ATM和1g PS-COOH球体溶解于5mL DI水中搅拌2h),通过控制浸渍时间可以容易地调节MoS2@C负载量。最后,在Ar蒸汽中600℃下煅烧2小时获得MoS2@C/CC柔性电极。 MoS2/CC电极也通过相同的方法获得,但不加入葡萄糖。

Zongnan Deng, Hao Jiang, Yanjie Hu, Yu Liu, Ling Zhang, Honglai Liu, Chunzhong Li, 3D Ordered Macroporous MoS2@C Nanostructure for Flexible Li-Ion Batteries, Adv. Mater. 2017, 1603020, DOI: 10.1002/adma.201603020.

通讯作者简介:

李春忠,华东理工大学材料科学与工程学院院长,教授,博士生导师,英国皇家化学会会士(FRSC),教育部“长江学者”特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,入选国家百千万人才工程并被授予“有突出贡献中青年专家”称号。课题组主要从事纳米材料及材料化学工程领域的研究。李教授申请中国发明专利101项,其中授权70项;在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater. ACS Nano、Small、Chem. Mater.等期刊发表SCI论文370余篇,影响因子大于6.0期刊论文90余篇,化工主流期刊Ind. Eng. Chem. Res.和Chem. Eng. J.等25篇,ESI高被引论文26篇;国内外学术会议大会和特邀报告30余次。发表论文总被引用12000余次(Google Scholar)。

Email: czli@ecust.edu.cn

江浩,男,华东理工大学教授。近5年来发表SCI论文50余篇,其中以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano等国际期刊发表SCI论文30余篇,影响因子>6.0的论文25篇,并有10篇入选ESI “Highly cited papers”,1篇入选ESI “Hot papers”,3篇论文入选“Top 10 most read articles”。

Email: jianghao@ecust.edu.cn

刘宇,华东理工大学化工学院副教授,研究方向:纳米多孔吸附材料、电极材料的设计、化工热力学与计算机模拟分子以及热力学软件开发。近期代表性作品:

1.“Kinetically-enhanced polysulfide redox reactions by Nb2O5 nanocrystals for high-rate lithium–sulfur battery”, Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/c6ee01662f;

2.“Self-Volatilization Approach to Mesoporous Carbon Nanotube/Silver Nanoparticle Hybrids: The Role of Silver in Boosting Li Ion Storage”, ACS Nano, 10, 1648-1654

Email: liuyu@ecust.edu.cn

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