Small:基于混相和层间距调控策略制备MoS2用于钠离子电池

众所周知,当今世界面临着非常严重的环境和能源问题,以锂离子电池为代表的二次电池储能技术在便携式电子器件以及大功率能源转化器件(如电动汽车)中得到了广泛的应用。然而,传统的锂离子电池受限于地壳中有限的金属锂资源,使得锂离子电池价格较高。随着锂离子电池的广泛应用,锂资源短缺的问题越来越明显。相较于金属锂,地壳中钠的含量远比锂丰富,因此,钠离子电池的整体成本有望大大降低,成为有潜力的下一代二次电池。然而,钠离子的半径相对于锂离子半径较大,钠离子在嵌入/脱出过程中动力学较慢,使得钠离子电池的容量普遍较低。同时,钠离子的嵌入/脱出过程中体积效应比较明显,电极材料的粉化比较严重,钠离子电池的循环性普遍较差。

层状材料的层间距要远大于晶体的晶格间距,在层状材料间钠离子的嵌入/脱出动力学较快,特别是对于基于插层机制的钠离子电池都表现出比较好的循环稳定性。然而,以二硫化钼为代表的二维层状材料是半导体,材料本征的导电性较差,且钠离子在层间穿梭过程中依然需要克服较大的阻力,使得这些层状材料的循环稳定性依然不能满足应用的要求。

针对上述挑战,杭州师范大学叶伟博士、浙江工业大学毋芳芳博士与山东大学熊胜林教授合作,提出通过小分子插层策略进一步提高层间距来提高钠离子嵌入/脱出动力学以及结合混相策略提高电极导电性和稳定性。他们以MoO3纳米带为模板,在高温硫化过程中,甲胺分子原位插层到MoS2层间,使得MoS2的层间距扩大到9.63 Å(原始MoS2层间距为6.26 Å)。甲胺的插层使得部分的半导体相MoS2转变成金属相MoS2。他们在实验中还发现,加入少量的引发剂可以诱导硫化反应从纳米带的边缘进行,最终得到了层间距扩大的孪生混相MoS2纳米线结构。钠离子电池性能测试表明,制备的层间距扩大的孪生混相MoS2结构在插层机制下表现出超高的循环稳定性,在0.1 A g−1电流密度下放电容量达到了200 mAh g−1,尤其是在大电流密度下(2 A g−1),循环6500圈后容量的保留率为第二圈放电容量的82.8 %,远优于纯半导体相MoS2和金属相MoS2。动力学研究表明,小分子插层增大层间距可以显著提高钠离子扩散动力学。同时,金属相MoS2提高了电极的整体导电能力,半导体相MoS2提高了电极长循环下的稳定性,基于这样的材料协同效应,制备的MoS2电极在大电流密度下的循环稳定性得到了极大提高。

研究者相信,此项研究将会为研究扩大二维层状材料的层间距以及混相研究打开一扇窗户,特别是为开发超长稳定性的钠离子电池负极材料研究提供新的思路。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201906607)上。