提高充電機充電鈉離子蓄電池負極的倍率性能的三明治結構有多牛？
2017-9-6 10:14:56??????點擊：
【導言】
跟著充電機充電鋰離子蓄電池的使用規劃不斷擴大，鋰資源的耗竭及鋰價格的攀升促進人類活躍尋覓相應的替代品。充電機充電鈉離子蓄電池作為充電機充電鋰離子蓄電池理想的替代品，近年來的研討熱度不斷攀升。然而與鋰離子比較，鈉離子的原子半徑及配位數更大，在電解質溶液中分散時遭到的阻力更大，所以怎么經過規劃電極結構到達促進鈉離子傳質的目的，然后提高充電機充電鈉離子蓄電池的比容量、倍率功能及循環穩定性就成了充電機充電鈉離子蓄電池研討作業中的要點問題。
2H MoS2由于具有高的理論容量（670 mAh g-1）而成為倍受研討的充電機充電鈉離子蓄電池負極資料。但2H MoS2歸于半導體，其直接帶隙為1.9 eV，故本征導電性差。此外，2H MoS2在充電機充電蓄電池充放電進程中存在結構粉化及顆粒聚會的問題，使充電機充電鈉離子蓄電池的倍率功能及循環穩定性隨循環充電機充電蓄電池充放電進程不斷下降。與2H MoS2比較，1T MoS2由于晶體結構中的姜-泰勒效應而呈現出金屬性，具有遠高于2H MoS2的電子導電性，有助于電子搬運進程，而其外表的親水性有用的有助于鈉離子從電解質溶液體相分散到MoS2外表。根據上述優勢，1T MoS2是比2H MoS2更好的充電機充電鈉離子蓄電池負極資料。然而，由于制備1T MoS2的傳統辦法要用到易燃的正丁基鋰等插層分子，其制備辦法一向沒有取得打破，使用遭到極大的約束。
【效果簡介】
近來，美國東北大學的祝紅麗副教授（通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上宣布了一篇名為“Freestanding Metallic 1T MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries”的文章。在這項作業中，研討人員初次用水熱法在空心三維石墨烯泡沫的表里外表上原位組成了1T MoS2，構成1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構，并把它作為充電機充電鈉離子蓄電池的負極，測驗了相應的電化學功能。制得的1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構具有下列優勢：(1)為鈉離子的分散供給了兩種通道；(2) 以空芯的三維石墨烯泡沫為基底提高了活性物質的面負載量；(3)由三維石墨烯泡沫負載MoS2構成的系統具有優異的機械穩定性，無需增加粘結劑和導電劑。經循環充電機充電蓄電池充放電測驗，當電流密度為0.05 A g-1時1T MoS2/石墨烯/ MoS2負極在200次充電機充電蓄電池充放電后的可逆容量為313 mAh g-1。當電流密度為2 A g-1時其容量為175 mAh g-1。這項作業為1T MoS2在充電機充電鈉離子蓄電池中的使用鋪平了路途。
【圖文導讀】
1. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構的制備進程
(a-d) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構的制備進程：先用化學氣相堆積（CVD）辦法在泡沫鎳上堆積一層石墨烯，再用FeCl3刻蝕除去泡沫鎳，得到通明空心的三維石墨烯泡沫，最終用水熱法在三維石墨烯泡沫的表里外表上成長1T MoS2。
(e) 用水熱法在三維石墨烯泡沫上成長1T MoS2的示意圖（圖中紅點和綠點別離表明硫代乙酰胺和MoO3）。
(f) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構能夠靜置在蒲公英上，表明系統的密度很小。
圖. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的化學成分及結構表征
(a) Mo 3d的XPS譜。
(b) S 2p的XPS譜。
(c) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的拉曼光譜。
(a) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的XRD。
3. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的SEM圖
(a) 三維石墨烯泡沫。
(b,c) 表里外表均負載有1T MoS2的石墨烯管。
(d) 石墨烯管外外表的1T MoS2。
(e) 石墨烯管表里表的1T MoS2。
(f) 一根石墨烯管的截面圖。
4. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的HRTEM圖
(a,b) 低倍HRTEM圖，可見石墨烯管外表負載了高密度的1T MoS2。
(c) 1T MoS2的高倍HRTEM圖。
(d) 1T MoS2的選區電子衍射譜。
5. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的電化學功能測驗
(a) 電流密度為50 mA g-1時循環充電機充電蓄電池充放電次數別離為1，10，30，80次的充電機充電蓄電池充放電曲線。由圖可知初次庫倫功率為64%；只要初次放電時才干觀測到0.8 V vs. Na+/Na的電壓渠道，其余充電機充電蓄電池充放電進程都沒有，這是由于初次放電構成SEI膜時有機電解質發作復原反響而分化；在隨后的充電機充電蓄電池充放電進程中，能觀察到1.6 V vs. Na+/Na的充電渠道和1.8 V vs. Na+/Na的充電渠道，別離對應鈉離子的可逆嵌入和脫嵌進程。
(b) 循環伏安曲線（掃描電壓區間為0.01~3.0V vs. Na+/Na，掃描速度為0.1 mV s-1）。由圖可見在1.7V vs. Na+/Na有強的氧化復原峰，在0.8V vs. Na+/Na有弱的復原峰，這與圖5(a)中的充電機充電蓄電池充放電渠道一致。跟著掃描次數的增加，氧化復原峰的峰位和峰高簡直不變，闡明系統的循環可逆性好。
(c) 電流密度為50 mA g-1時三維石墨烯泡沫和1T MoS2/石墨烯/MoS2的放電比容量和庫倫功率隨循環充電機充電蓄電池充放電次數的改變。由圖可見1T MoS2/石墨烯/ MoS2的初次放電比容量為630 mAh g-1，循環充電機充電蓄電池充放電10次時放電比容量降為340 mAh g-1，循環充電機充電蓄電池充放電200次今后放電比容量穩定在313 mAh g-1。庫倫功率為99%，闡明循環充電機充電蓄電池充放電進程中簡直沒有副反響發作。石墨烯的層距離只要0.34 nm，不能容納鈉離子，對容量沒有奉獻。
(d) 充電機充電蓄電池充放電倍率為0.05C~2C時的倍率功能。當電流密度別離為0.5，0.8，1.0，1.5，2.0 A g-1時，可逆容量別離為241，222，208，190，175 mAh g-1。當電流密度驟降到0.05 A g-1時，可逆容量為313 mAh g-1。
(e) 循環充電機充電蓄電池充放電次數別離為0，5，10，100次時的電化學阻抗譜，均為徹底放電狀態下測得。由圖可見1T MoS2/石墨烯/ MoS2的歐姆阻抗接近于0，這是由于1T MoS2和石墨烯都是好的電子導體。跟著循環次數增加，電極資料逐步被電解質溶液潮濕，電荷搬運阻抗逐步下降并在循環10次后穩定在600Ω。經過比較Nyquist圖的斜率可知離子分散到達穩態。
【小結】
這項作業初次研討了1T MoS2作為室溫充電機充電鈉離子蓄電池負極資料的電化學功能。經過水熱法在空心三維石墨烯泡沫的表里外表上原位組成1T MoS2，構成的1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結構具有以下優勢：(1) 1T MoS2的低電阻率使其在高電流密度下能堅持高的比容量和循環穩定性；(2) 三維石墨烯泡沫不僅能避免1T MoS2顆粒在循環充電機充電蓄電池充放電進程中發作聚會，還具有低的電阻率，有利于電子傳遞并堅持較好的的循環穩定性；(3) 空心的三維結構增大了電極和電解質溶液的接觸面積，縮短了離子分散距離，提高了倍率功能；(4) 無需任何增加劑，能高效使用活性電極資料。將該三明治結構作為充電機充電鈉離子蓄電池負極，具有比2H MoS2負極更好的倍率功能和循環穩定性，在電流密度為2 A g-1時可逆容量為175 mAh g-1，而當電流密度為0.05 A g-1時可逆容量為313 mAh g-1。這種在三維空心結構上負載二維層狀納米資料的辦法能夠推廣到許多儲能資料的制備中去。
【文獻信息】
Freestanding Metallic 1T MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702998)
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