华东理工大学Adv. Mater.：用于柔性锂离子电池的3D有序大孔MoS2 @ C纳米结构

【引言】

电子设备的未来趋势是灵活性、小型化和增加便携性，但柔性锂离子电池（LIBs）设备仍处于研发的初级阶段。寻找可折叠和柔性电极将极大地促进柔性LIBs装置的运用。制备柔性电极的众所周知的策略是将活性材料直接涂覆在柔性集流体上（例如碳布，石墨纸）上而不是传统的铜箔或者铝箔。但是，活性材料与集流体之间弱的结合力不可避免地导致其从集流体上脱落，导致严重的容量衰减。为了加强它们的相互作用，在柔性基板上直接生长活性材料是制造高度集成的柔性电极的方式之一。然而，它们对于柔性LIBs的最大挑战性问题是在充电/放电过程中，体积变化和活性材料的部分溶解。制造高效柔性电极的关键在于高性能和稳定材料的构造以及它们与柔性集电器的牢固粘附性。

二硫化钼（MoS₂）纳米片在锂离子存储中是非常有吸引力的材料，因为它们在片层之间具有良好的范德华相互作用。但是实际上，它们很容易在块体材料中堆积/重新堆叠，尤其是在高倍率下限制锂离子的存储空间。阻碍柔性LIB的MoS₂纳米片应用的最大问题是其差的倍率性能，这主要是因为其锂离子扩散缓慢，导电率低，由于在循环过程中材料的体积变化巨大以及多硫化物溶解引起不令人满意的循环稳定性。

【成果简介】

为了解决这些问题，近日，华东理工大学江浩教授、李春忠教授、刘宇博士联合在Advanced Materials发文，题为“3D Ordered Macroporous MoS₂@C Nanostructure for Flexible Li-Ion Batteries”。研究人员提出了一种新型灵活和可折叠的高性能锂离子电池，通过设计3DOM MoS₂@C纳米结构和将其在碳布（标记为MoS₂@C / CC）上原位组装。用于提高LIB性能的3DOM MoS₂@C的关键特征是超小量的多层MoS₂纳米片/碳混合物形成3D大孔结构，这避免了MoS₂的堆叠/重新堆叠，并留下足够的空间用于解决在充电和放电过程中的与体积膨胀相关的问题。因此，3DOM MoS₂@C/CC负极在0.1 mA cm^-2下具有3.428mAh cm ^-2的高放电容量，具有快速充电/放电能力（在5mA cm^-2时为1.361mAh cm ^-2）和优异的循环稳定性（100次循环后的93％容量保持率）。量子密度功能理论（QDFT）计算表明边缘富集的超小型和少量少层的MoS2纳米片有利于提高锂存储容量。分别使用合成后的MoS₂@C/CC和商业LiCoO₂ /Al作为正极和负极组装高的柔性全电池，表现出优异的机械强度和优越的电化学性能。

【图文导读】

图一： MoS2 @ C / CC柔性电极的制备过程示意图   

本图表明了在碳布上的3DOM MoS2 @ C结合结构的典型制备过程。在第一步中，通过在N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中聚苯胺的改性获得一片带正电荷的碳布。然后，将带负电荷的聚苯乙烯（PS）纳米球均匀分散在硫代钼酸铵（ATM）和葡萄糖水溶液中，随后基于静电吸引在碳布表面上自组装PS纳米球 。然后，通过匹配在碳化期间的ATM分解速率和葡萄糖碳化速率获得MoS2 @ C / CC柔性电极。

图二：材料的形貌表征

a-c）SEM图像和   d-f）不同放大倍数的TEM图像，  g-j）Mo，S，C元素的TEM-EDS图。

图三：电化学性能

a）相对MoS₂ /C比率作为反应程度的函数的热力学/动力学估计，

b）MoS₂@C / CC和MoS₂/ CC的XRD图谱和    c）拉曼光谱，

d）MoS₂@ C / CC，MoS₂ / CC和CC的电子电导率。

图四：XRD图谱和拉曼光谱

a，b）负极/正极峰值电流（i_p）与扫描速率（v^1/2）的平方根的线性关系，MoS₂@C / CC和MoS₂/CC的   c）倍率性能和   d）循环性能（图d的插图为100次循环后MoS₂@C/CC的形态），

e）具有不同质量负载的MoS₂@C / CC的容量，  f）MoS₂@C容量和不同质量负载的线性关系。

图五：MoS₂晶体的结构

a，b）MoS₂晶体的结构和X，Y和Z方向的定义，

c）MoS ₂中吸附的Li在MoS ₂颗粒的三个表面和内部的结合能，其中X，Y和Z表示分别垂直于X，Y和Z方向的表面，

d）MoS ₂颗粒的X表面上的锂吸附/解吸。

图六： 全电池的的示意图及性能

a）硬币型全电池的倍率和循环性能，

b）柔性全电池的示意图，

c-e）在平坦状态，弯曲状态下甚至在300个弯曲循环之后都能由柔性全电池照亮的白色LED 。

【总结】

研究人员提出了一种新的3D有序大孔MoS₂ /碳纳米结构，其具有大表面积和充足的空间，用于构建高性能柔性和可折叠LIBs。研究人员使用PS纳米球作为大孔模板。不同于MoS₂/C混合纳米材料，该材料具有柔性基底，有序大孔和超小量少层MoS₂纳米片的集成特征。此外，研究人员还组装了柔性全电池，其表现出优异的机械强度和电化学性能。这种全电池的灵活性和Li ⁺存储容量使其适用于未来的柔性可穿戴电子设备。

文献链接：3D Ordered Macroporous MoS2@C Nanostructure for Flexible Li-Ion Batteries（Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201603020）

本文由材料人新能源组 背逆时光 供稿，材料牛编辑整理。

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