Adv. Energy Mater.：MoS2/石墨烯纳米片在高倍率性能钠离子电池上的应用研究

【引言】

地球上丰富的钠资源储量，使得可充电钠离子电池在大规模能量储存领域显示出巨大的潜能。但是，相对较大的离子半径导致钠离子电池（SIBs）的比容量、循环性能和倍率性能与锂离子电池（LIBs）之间均存在一定的差距。研究发现：二维层状材料与石墨的结合可以有效改善材料的储钠性能。在目前广泛研究的二维层状材料中，MoS₂的理论可逆容量高达670 mAh·g^-1，具备优异的储钠潜能。需要指出的是：MoS₂的导电性较差，储钠过程中结构会发生明显的变化，因此实际电化学储钠性能并不理想。石墨烯具备优异的机械性能和电学性能，通过与MoS₂的复合可以有效提高MoS₂的的储钠性能。

【成果简介】

近日，中南大学的王海燕副教授和昆士兰大学的王连洲教授（通讯作者）等，在Adv. Energy Mater.上发表了题为“MoS₂/Graphene Nanosheets from Commercial Bulky MoS₂ and Graphite as Anode Materials for High Rate Sodium-Ion Batteries” 的研究论文，报道了MoS₂/石墨烯复合材料在高性能钠离子电池中应用的最新研究进展。研究人员以市售的MoS₂块体和石墨为原料，借助球磨引发的化学插层和物理剥离，成功制备了MoS₂/石墨烯纳米片复合材料。研究发现：该方法获得的MoS₂/石墨烯材料具有优异的倍率性能和循环稳定性；当电流密度为20 A·g^-1时，储钠容量高达284 mAh·g^-1；当电流密度为50 A·g^-1时，仍可保持201 mAh·g^-1的高放电容量；当电流密度为0.3 A·g^-1时，循环250圈后容量保持率高达95 %。理论计算发现：缺陷及含氧官能团较少的MoS₂/石墨烯复合材料具有更高的离子扩散系数及电子电导率。

【图文导读】

图-1. MoS₂/G纳米片的合成示意图

图-2. MoS₂及石墨烯纳米片的SEM图像

(a) 市售块状石墨的SEM图像；

(b) 实验制备的石墨烯的SEM图像；

(c) 实验制备的石墨烯的AFM图像；

(d) 市售MoS₂块体的SEM图像；

(e) 实验制备的MoS₂纳米片的SEM图像；

(f) 实验制备MoS₂的AFM图像；

(g) MoS₂/G的SEM图像；

(h) MoS₂/GO的SEM图像。

图-3. 实验测得的TEM、HRTEM及STEM-EDS图像

(a)-(b) 实验制备的石墨烯的TEM图像；

(c) 实验制的石墨烯的HRTEM图像；

(d)-(e) 实验制备的MoS₂的TEM图像；

(f) 实验制备的MoS₂的HRTEM图像；

(g)-(h) MoS₂/G的TEM图像；

(i) MoS₂/G的HRTEM图像；

(j) (k) (l) (m) MoS₂/G的STEM-EDS图像。

图-4. MoS₂/石墨烯纳米片的循环性能研究

(a) 电流密度为 100 mA.g^-1时，MoS₂/G复合材料的循环性能；

(b) 电流密度为300 mA.g^-1时，MoS₂/G复合材料的循环性能；

(c) 不同电流密度下，MoS₂/G纳米片和MoS₂/GO纳米片的倍率性能；

(d) 不同电流密度下，文献和实验的MoS₂基钠离子负极材料的倍率性能对比图。

图-5. MoS₂/石墨烯纳米片的结构表征

(a) MoS₂，石墨烯，MoS₂/G和MoS₂/GO的拉曼图谱；

(b) MoS₂/G中C-C键的XPS图谱；

(c) 煅烧前MoS₂/GO的XPS图谱；

(d) MoS₂/GO的XPS图谱；

(e) 石墨烯的合成 (i) MoS₂/GO (ii) MoS₂/G。

图-6. 钠离子电池的CV曲线

(a) MoS₂/G的CV曲线；

(b) MoS₂/GO的CV曲线；

(c) MoS₂/G的峰电流密度与扫描速率平方根曲线；

(d) MoS₂/GO的峰电流密度与扫描速率平方根曲线。

图-7. 单层MoS₂和石墨烯的原子排列方式及其中钠离子的扩散方式

(a) 单层的MoS₂和石墨烯的俯视图；

(b) 单层的MoS₂和石墨烯的侧视图；

(c) (d) (e) 钠离子以最低能量，通过单层的MoS₂和石墨烯的3种方式。

图-8. 带有不同官能团的单层MoS₂和石墨烯的原子排列方式及其中钠离子的扩散方式

(a) 带有环氧基的单层MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(b) 带有环氧基的单层MoS₂和石墨烯中钠离子的扩散路径；

(c) 带有羟基的单层MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(d) 带有羟基的单层MoS₂和石墨烯中钠离子的扩散路径；

(e) 带有缺陷的单层MoS₂和石墨烯的原子排列方式；

(f) 带有缺陷的单层MoS₂和石墨烯中钠离子的扩散路径。

【小结】

本文采用两步球磨法制备得到了可用于高倍率性能钠离子电池的MoS₂/石墨烯纳米片负极材料，该方法具有价格低、高产能等优点。实验结果和DFT计算表明，低缺陷程度的石墨烯可以增加材料的电子电导率，减小钠离子扩散能垒。因此，MoS₂/石墨烯材料具备出色的电化学性能。这项工作表明，通过对异质界面的功能化设计，能够有效提高MoS₂/石墨烯电极的电化学性能，同时也为其它石墨烯复合材料的开发和设计提供了一定的思路参考。

文献链接："MoS2/Graphene Nanosheets from Commercial Bulky MoS2 and Graphite as Anode Materials for High Rate Sodium-Ion Batteries" (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702383)。

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本文由材料人编辑部张金阳编译，张杰审核。

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