新型高性能锂离子电池负极材料:超小四氧化三铁纳米颗粒与二硫化钼纳米片复合材料

超小四氧化三铁与二硫化钼纳米片复合负极材料的电化学循环曲线,以及四氧化三铁颗粒防止二硫化钼纳米片重新堆积的原理示意图。

锂离子电池,由于其较高的能量密度以及对环境较低的污染程度,已经被广泛地应用在形形色色的日常移动设备中。然而,锂离子电池的发展程度已经远远落后于其他移动电子设备的相关技术。负极材料,作为锂离子电池中重要的一部分,对于电池的整体表现有着关键性的影响。石墨,作为现在市场上的锂电池负极材料,只能够提供非常有限的容量,直接拖累了锂离子电池的整体容量。作为下一代的锂离子电池负极材料,至少要具备以下三个技术特征:(1)能量密度必须有质的飞越,以应对当前与未来移动设备应用的需求;(2)具备一定的高速充放电能力,以提高其实用性;(3)较高的循环稳定性,至少与现有材料持平。

基于这三个重要标准,新加坡国立大学材料科学与工程系薛军民教授团队最近制备了一种高性能的超小四氧化三铁与二硫化钼纳米片(ultra-small Fe3O4/MoS2 nanosheet)复合负极材料。二硫化钼是一种具有层状结构的过渡金属硫化物。最新研究表明,二硫化钼可以提供非常高的有效容量(900-1200毫安时/克)。而在此工作中,二维结构的二硫化钼纳米片是通过一种非常便捷的水热方法制备而成。由于具备与石墨烯非常类似的结构,具有更高容量的二硫化钼纳米片极有可能在复合负极材料中取代已经被广泛研究的石墨烯,是一种非常有前途的锂离子电池负极材料。

然而,二硫化钼纳米片非常容易在充放电过程中重新堆积,导致有效面积大大减少,从而严重影响电池的整体电化学性能。这也是所有二维电极材料的一个共同缺陷。在这个工作中,通过一个额外的水热反应,超小的四氧化三铁颗粒被装饰在二硫化钼纳米片的表面 。除了提供额外的容量外,这些纳米颗粒可以有效地防止二硫化钼纳米片的重新堆积,从而保证了此复合电极材料的循环稳定性。具体来讲,有了四氧化三铁的纳米颗粒的嵌入,二硫化钼纳米片在1180个电化学循环周(电流密度范围在100至10000毫安/克之间)后仍然能够提供非常稳定且极高的容量(1033毫安时/克)。

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