氮掺杂石墨烯和纳米二硫化钼构筑的“薄膜-泡沫-薄膜”结构高性能锂离子电池负极材料

作为一种典型的过渡金属硫化物,二硫化钼(MoS2)因其特有的S-Mo-S二维层状结构和较高的活性硫含量,作为锂离子电池负极材料具有良好的应用前景。与金属锂组装半电池时,MoS2通过“插层—转化”方式储锂,并在首圈放电结束时生成硫化锂和单质钼,其理论比容量(~ 670 mA h g-1)两倍于目前广泛使用的石墨负极。然而,MoS2的电导率低下,电化学不稳定,不利于其循环和倍率性能的发挥。此外,首圈循环后,MoS2层状结构发生重排容易形成较大的体相颗粒,使其在之后的锂化/去锂化过程中无法充分反应,造成材料容量迅速衰减,并影响其在实际电池中的应用。

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为解决上述问题,人们提出将具有纳米结构的MoS2与导电碳基底相结合,以便改善材料的电化学性能。通过将纳米态的MoS2均匀分散在碳基底的活性位点表面,预期可显著提高复合材料的锂离子和电子电导,同时,通过硫化物与碳之间的钉扎效应或强相互作用可稳定MoS2的电化学,并能防止硫化物在循环过程中发生团聚。在碳基底的选择方面,石墨烯因其比表面积大、电导率高,柔性好等显著优势,是分散纳米MoS2的理想材料。在MoS2-石墨烯复合材料的纳微复合结构优化方面,则需兼顾材料的电化学稳定性和动力学优势,同时,为了提升复合材料的能量密度,还需综合考虑材料的压实密度。

最近,合肥工业大学从怀萍教授课题组与中国科学技术大学俞书宏教授课题组合作实现了一种自支撑型二硫化钼-石墨烯复合薄膜的自组装设计和放大制备。该薄膜可经由水合肼蒸汽还原配合水热反应制得,其基本结构单元包括氮掺杂石墨烯(NG)和蜂窝状纳米MoS2(NG-MoS2),并自顶向下呈现“薄膜-泡沫-薄膜”的宏观-微观-纳观分级结构。用于锂离子电池负极材料时,这种新型的结构设计既可保证复合材料具有较高的压实密度,又可保证锂离子和电子在材料内部的快速输运,同时还能容纳硫化物材料在嵌脱锂过程中的体积变化。由于其结构上的显著优势,NG-MoS2复合材料用于锂离子电池负极时表现出优良的电化学性能,其在0.1 A g-1电流密度下的可逆储锂比容量高达1200 mA h g-1,电流密度升至5.0 A g-1时比容量仍保有700 mA h g-1,在1.0 A g-1电流密度下循环400圈后比容量仍保有980 mA h g-1。鉴于MoS2相比石墨等传统锂电负极材料在容量方面的显著优势,这种NG-MoS2复合负极材料预期将在以下一代锂离子电池为代表的储能系统中展现良好的应用前景,并有助于发展面向未来的可持续能源技术。

相关结果已于近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.201606870)并被选为VIP论文。