利用ReS2纳米墙的极弱范德华耦合构筑高倍率性能锂离子电池

以便携式设备、电动汽车和智能电网储能电站为重大应用需求的下一代锂离子电池,在满足安全、环保、低成本、长寿命等基本条件下,对大充放倍率和长循环稳定性提出了更高的要求。层状结构的过渡金属二硫属化物(TMDs)因其具有较弱的层间耦合作用和可供锂离子传输的二维通道,在锂离子存储领域具有潜在的应用价值。近年来,ReS2作为一种新型的TMDs材料引起越来越多研究者的兴趣。与常见的MoS2、WS2不一样的是,ReS2表现出较强的层间去耦合作用,这直接导致其层间作用力(范德华耦合作用)极其弱。另外,ReS2具有目前已知二维材料中最大的各向异性比,这一独特性质可能使其在纳米结构的构筑上体现出与众不同的锂电性能。

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基于此,武汉大学化学与分子科学学院付磊教授的研究团队采用化学气相沉积法(CVD)直接在三维石墨烯(3DGF)的表面原位生长出超均匀分布的垂直ReS2纳米墙(V-ReS2)。这种纳米墙结构极大程度上利用了ReS2极弱的层间范德华耦合作用和各向异性,将更多的硫活性位点暴露出来,使其即使在较高的电流密度下仍能保持优异的循环稳定性。同时,这种超均匀分布的垂直纳米墙结构,提供了较大的比表面积,利于电解液的充分浸润,并且非常易于锂离子的快速嵌入和脱出。充放电测试发现,在高电流密度充放电的过程中(1000 mA·g–1),V-ReS2/3DGF电极材料的比容量即使在循环500周以后仍能保持在200 mA·h·g–1以上,并且始终保持接近100%的充放电库伦效率。另外,研究人员通过对比水平和垂直不同纳米结构ReS2的锂电性能,也进一步证实了ReS2的各向异性在构筑纳米结构中的重要意义。

该工作利用了ReS2纳米墙的极弱层间耦合作用及各向异性的特性,也可以普遍应用于其它层状二维电极材料的设计中,并且拓宽了碱金属离子电池的负极材料的可选择范围,为嵌入化学领域开辟了新的发展空间。

相关成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505498)上。