Advanced Energy Materials:二硫化钼/石墨烯界面工程设计:实现二硫化钼理论容量的高倍率储钠负极材料

MoS2由于具有较高的理论容量(670 mAh g-1)而在钠离子电池/电容器负极材料中受到了广泛关注。然而由于MoS2存在本征导电性差、层间离子迁移速率缓慢、结构稳定性不佳的问题,导致其高容量特性难以有效发挥,严重制约了在高功率长寿命器件中的应用。为解决这一问题,大量研究工作致力于将MoS2与炭材料复合以提高其整体导电性。然而由于含氧官能团的存在,炭材料表面往往带负电,与MoS2前驱体(钼酸根离子)产生强烈的静电斥力,造成MoS2与导电炭之间难以形成有效连结,因此复合材料的容量和倍率性能仍不能满足未来发展需求。

(a)E-MoS2/NG合成示意图;(b)Mo-N键界面电荷密度差分图;(c)E-MoS2/NG倍率性能;(d)E-MoS2/NG与其他工作的容量利用对比图。

针对上述难题,哈尔滨工程大学范壮军教授课题组联合新疆大学张苏副教授课题组提出了一种新型界面工程设计策略,实现了扩层MoS2/石墨烯复合材料的强界面结合。作者通过聚苯胺修饰获得了带正电荷的聚苯胺/石墨烯复合物,使Mo7O246-通过静电吸引和配位作用有效锚定于材料表面。以此作为形核种子,通过水热生长-热处理将扩层MoS2纳米花根植于氮掺杂石墨烯“土地”上,实现了相间强Mo-N共价结合。MoS2与石墨烯间的强界面作用显著促进了界面电荷传输,而其扩层结构促进了钠离子在层间快速迁移。因此,所制备的E-MoS2/NG(MoS2质量比为90 wt.%)表现出了超高的比容量(620 mAh g-1 at 0.1 A g-1)和优异的倍率性能(201 mAh g-1 at 50 A g-1),优于目前所报道的绝大多数MoS2/C复合材料。值得注意的是,复合材料中的MoS2几乎贡献了其理论容量。因此,所组装的钠离子电容器表现出优异的能量密度和功率密度(82 Wh kg−1 at 14421 W kg−1)。总之,该界面工程设计为高性能复合材料的设计合成提供了新的思路。

此工作发表在期刊Advanced Energy Materials上。

论文信息:

Approaching the Theoretical Sodium Storage Capacity and Ultrahigh Rate of Layer-Expanded MoS2 by Interfacial Engineering on N-Doped Graphene

Shichuan Liang, Su Zhang, Zheng Liu, Jing Feng, Zimu Jiang, Mengjiao Shi, Lan Chen, Tong Wei, Zhuangjun Fan

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202002600