高性能自支撑二硫化钼@碳纸钠离子电池负极材料

AEMwangguoxiu 继锂离子电池的成功商业化应用之后,钠离子电池重新吸引了人们的研究兴趣。钠比锂储量丰富、分布均匀;此外,与锂离子电池中用铜箔作为负极集流体不同的是,更为廉价的铝箔也可以作为钠离子电池的负极集流体,这使得钠离子电池作为低成本的储能体系在大规模电化学储能领域中有广泛应用的前景。然而由于钠离子比锂离子具有更大的离子半径,开发用于钠离子存储的高性能电极材料成为制约钠离子电池应用的关键因素之一。二硫化钼是一种典型的二维层状过渡金属硫化物,具有可供钠离子传输的二维通道,作为负极材料在钠离子存储中具有潜在的应用价值。但是由于二硫化钼导电性差以及在循环过程中存在较大的体积变化等因素,其不可逆容量损失大,循环稳定性及倍率性能差,这限制了二硫化钼的应用。此外,目前为止报道的各种二硫化钼基负极材料通常为粉末状,需要通过添加导电剂及粘结剂制成浆料涂布于集流体上制成电极;另一方面,这些电极材料的初始充放电效率通常较低,在组装全电池时需要额外的正极材料弥补不可逆容量的损失,这都无疑将增加电池的重量与成本。

为了解决这些技术问题,悉尼科技大学清洁能源技术研究中心的汪国秀教授和他的博士生解修强与德雷塞尔大学的Taron Makarya博士,赵梦强博士,博士生Katherine L. Van Aken以及Yury Gogotsi教授等合作,用常见的纸巾为原材料,通过原位沉积二硫化钼并经过高温煅烧,开发了一种在无需金属集流体以及后续电极涂布过程的情况下,可直接用作钠离子电池负极的二硫化钼包裹碳纸自支撑材料。这种电极材料的开发是基于优化电极/电解液固液界面的原则,在该电极材料中,二硫化钼纳米片垂直生长并紧密包裹于碳纤维上,这一新颖结构在使电极活性物质与电解液的充分接触同时保证了电子通过导电的碳纤维芯有效传导,而且减少了由于碳材料导电基底与电解液接触引发的不可逆反应,赋予其良好的电化学性能。通过在该电极材料涂裹少量羧甲基纤维素钠盐可以进一步提高其循环稳定性。充放电测试发现,在低电流密度充放电过程中(20 mA g-1),该材料的比容量达到446 mA h g-1,并且具有较高的初始充放电效率(79.5%),同时也表现出良好的高倍率充放电性能(在电流密度为1000 mA g-1时比容量达205 mA h g-1),循环100圈稳定性良好。用原位拉曼光谱技术对其储钠机理的研究发现,在钠离子嵌入/迁出过程中二硫化钼存在从2H相到1T相的可逆相变。这一构筑钠离子电池电极材料的方法有望拓展到硫化亚锡,二硫化锡和二硫化钨等其他活性材料,为开发高性能钠离子电池提供思路。

相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201502161)上