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高容量、长循环周期钠离子电池用层间距扩展的少层MoSe2@C纳微球可控构筑及电化学性能

钠离子电池作为一种新型化学电源,因钠资源储量丰富,在规模储能领域具有广阔的应用前景,被认为是下一代储能和动力电池的理想选择。可控构筑高安全性与长寿命兼顾的全钠离子电池负极是规模化储能系统发展的一个重要方向。为了解决导电率低,体积易膨胀,循环寿命短及倍率性能差等问题,开发具有高能量密度,层间面扩展的少层二维纳米电极材料极具研究和实用价值。相比常规的MoS2纳米材料,MoSe2具有更大的层面间距和更高的导电性,在钠离子电池负极材料研究中具有巨大潜力。

最近,云南大学郭洪教授课题组与加拿大西安大略大学孙学良院士团队合作,通过构建层间距扩展且少层的MoSe2纳米片,并将其均匀局域于碳纳米球内部,最终合成MoSe2@HCNS纳米材料,该新型纳米材料在解决二维过渡金属硫族化物易团聚,层间距小等问题的同时,也有效提高了导电性能并且,作者通过对嵌入脱嵌机理的分析发现,在层间距扩展的基础上控制少层结构可以有效提高钠离子嵌入和脱出过程中电荷转移速率,有助于提高材料的倍率性能和循环稳定性该文章发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上(影响因子:12.124

通过制备结构均匀良好的碳纳米球,以其作为反应器,均匀插入MoSe2纳米片并限制其层状堆叠,最终形成碳微球局域、层间距扩展的、少层硒化钼纳米片新材料。MoSe2@HCNS纳米材料的扫描电镜图和透射电镜图如图1所示。从结果可以看出,成功制备了结构均匀的碳纳米反应器,且MoSe2纳米片的层间距由原始的0.64nm扩展为1.02nm,并将其成功局域于碳纳米球内部形成均匀少层结构。

MoSe2@HCNS复合材料作为钠离子电池负极时表现出良好的循环稳定性(如图2),1 A/g3 A/g的电流密度下,经1000次循环后容量分别高达501mAh/g471 mA h/g。通过对1 A/g 10 A/g范围内倍率性能的测试,表明该材料的倍率性能优越(如图3)。在1, 3, 10 A/g的电流密度下容量分别为562, 482, 382 mAh/g;当电流密度恢复到1 A/g时,容量恢复并保持在532 mAh/g

该工作巧妙设计了氮掺杂、碳局域、少层、层间面扩展的硒化钼二维纳米片,有效的提高了该类电极的倍率性能和循环寿命,具有重要的理论意义和应用潜力。

高容量、长循环周期钠离子电池用层间距扩展的少层MoSe2@C纳微球可控构筑及电化学性能

图1.  (a) SiO2@ SiO2/C前驱体扫描电镜图;(b) 空心碳纳米球扫描电镜图;(c) MoSe2@HCNS材料扫描电镜图;(d)MoSe2@HCNS材料透射电镜图; (e)和(f)MoSe2@HCNS材料高分辨率透射电镜图.

高容量、长循环周期钠离子电池用层间距扩展的少层MoSe2@C纳微球可控构筑及电化学性能

2. MoSe2@HCNS复合材料在1 A/g10 A/g 不同电流密度下的倍率性能.

高容量、长循环周期钠离子电池用层间距扩展的少层MoSe2@C纳微球可控构筑及电化学性能

3. MoSe2@HCNS复合材料分别在1 A/g3 A/g电流密度下的长循环性能.

Hui Liu, Hong Guo,*Beihong Liu, Mengfang Liang, Zhaolin Lv, Keegan R. Adair, and Xueliang Sun*, Few-LayerMoSe2 Nanosheets with Expanded (002) Planes Con ned in Hollow CarbonNanospheres for Ultrahigh-Performance Na-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2018,1707480.

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