Advanced Materials:优异储钾性能的超薄二硫(硒)化钼/碳片二维异质结的可控构筑及其储能机理研究

锂离子电池广泛用于便携式电子产品以及电动汽车领域。然而,地壳中稀缺的锂资源使锂离子电池成本不断上升。针对大规模储能领域而言,寻求一种可替代锂离子电池的低成本电化学储能器件迫在眉睫。钾的电化学性质和锂相似,且地壳中储量丰富、成本低廉,所以钾离子电池是最有希望的锂离子电池的廉价替代产品。

二硫(硒)化钼作为二维过渡金属硫(硒)化合物的典型代表,具有储钾理论容量高及可供钾离子快速扩散的二维通道等优势,因此在高性能钾离子储能器件中具有较好的应用前景。然而在钾离子电池实际应用中,二硫(硒)化钼面临如下问题:1)本征导电性差及体相中的离子扩散速率慢导致的动力学迟缓;2)充放电过程中的材料粉化导致的容量衰减。

为了解决这些问题,中国科学技术大学的余彦教授和北京大学的侯仰龙教授以硫粉或硒粉作为硫源或硒源,通过化学气相沉积法构筑了一种超薄二硫(硒)化钼/碳片二维异质结构(MoS2-on-NC,MoSe2-on-NC )作为钾离子电池负极材料,展现了稳定的长循环寿命和优异的倍率循环性能。MoSe2与碳片构成的异质结构不但解决了二硫(硒)化钼本征导电性差及离子扩散速率慢的问题,而且二硫(硒)化钼与碳片之间的化学键缓解了充放电过程中的体积变化,因此异质结结构在储钾过程中展现了优异的倍率性能及超长的循环寿命。第一性原理(DFT)计算及恒电流间歇滴定技术(GITT)的实验结果表明,超薄MoSe2纳米片提升了钾离子在材料体系中的扩散速率,MoSe2/NC异质结构进一步促进了钾离子的扩散并改善了纳米片的导电性从而极大地提升了储钾动力学。MoS2-on-NC在1.0A g-1的电流密度下循环5000圈仍保持399mAh g-1的可逆容量,在0.2~10.0A g-1的不同电流密度下循环2100圈仍保持优异的倍率性能。除此之外,MoSe2-on-NC 也展示出了优异的储钾性能和稳定的循环寿命,二者的循环寿命以及可逆容量优于此前文献报道的相关材料。此外,作者通过原位拉曼光谱和不同充放电阶段物种的高分辨透射揭示了MoSe2在充放电过程中经历了“插入-转化”储钾机理。

研究者构筑的MoS2/NC(MoSe2/NC)异质结构提升了储钾动力学,其丰富的化学键增强了循环稳定性。该研究对纳米异质结构的设计策略可以为其他电化学储能器件的研究工作提供借鉴。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000958)上。