N,P共掺杂碳纳米片负载的MoSe2作长寿命、高倍率钠离子负极材料性能以及储钠机制研究

锂离子电池虽然在近年来获得了长足的发展,但是也面临严峻的问题和挑战。其中之一就是可利用锂资源非常有限。针对这种情况,钠离子电池应运而生,不仅仅因为钠元素资源丰富,价格低廉;而且因为钠离子电池结构和反应机制与锂离子电池非常类似。所以,锂离子电池的研究方法、研究策略为钠离子电池的快速发展提供了可靠的依据。钠离子电池电极材料的问题主要在于较大的离子半径(Na+: ~ 1.06 Å, vs. Li+: 0.76 Å)和离子质量(Na+: ~ 23, vs. Li+: ~7)导致扩散能垒显著升高,脱/嵌过程的动力学迟滞现象明显,循环性能和倍率性能较差。 因此,探寻具有较高循环稳定性和倍率保持率的电极材料,成为了科研工作者们面临的挑战。

二硒化钼作为一种层状三明治结构的过渡金属硒化物,其较小的能带带隙(~ 1.1 eV),较大的层间距(~ 0.65 nm)及适中的理论容量(~ 422 mAh g-1)等特性,使其具有成为理想钠离子电池负极材料的潜力。但是该材料仍存在导电性较低,体积效应偏大等问题。常见的解决思路就是将其与碳材料复合,或者同时调控尺寸,形成MoSe2/C复合纳米结构。相比于纯碳材料,杂原子掺杂的碳材料不但可以调节碳材料的电子结构,增加导电性能,而且可以加强与活性物质的接触,降低界面电阻。

AFM-yangjian

氮、磷共掺杂碳纳米片负载的二硒化钼复合电极材料(MoSe2/N,P-rGO)结构示意图(左图)及其钠离子电池负极材料的倍率性能(右图) 

近期,山东大学杨剑教授课题组设计并制备了氮、磷共掺杂碳纳米片负载的二硒化钼复合电极材料(MoSe2/N,P-rGO)。充分利用了掺杂碳材料较高的导电性能与牢固的界面结合能力,并且缓解了体积效应,增加了电极材料的循环稳定性和倍率性能。在0.5 A g-1的电流密度下循环1000圈,其可逆容量仍保持在378 mAh g-1。即使在5A g-1的电流密度下循环1000圈,容量也维持在232 mAh g-1。合作者樊唯镏教授课题组通过模拟计算,证实了不同杂原子之间的协同效应,增加了掺杂碳材料与放电产物之间较强的相互作用,为钠离子电池循环稳定性的增加提供了合理的解释和支撑。在此基础上,通过非原位的拉曼光谱、HRTEM照片等技术揭示了MoSe2的储钠机制。最后,将MoSe2/N,P-rGO与磷酸钒钠组装为钠离子全电池,获得了良好的循环稳定性和倍率性能,证实了它的应用潜力。碳材料杂原子之间的协同效应为提升其他钠离子电池负极材料的性能提供了新的思路和途径。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm201700522)上,第一作者为山东大学化学系博士生牛斐洱。