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石墨被MoS2“完虐”

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年05月28日  

  石墨類材料(例如人造石墨,天然石墨,中間相碳微球等)容量已經接近其理論極限(372mAh/g),隨著人們對鋰離子電池能量密度要求的不斷提高,石墨負極被淘汰的命運已經無法避免,先是硅基負極,錫基負極的崛起,現在又蹦出一個MoS2,石墨材料被輪番吊打,MoS2相比于硅負極,錫負極,只是一個小輩,但是說起吊打石墨可一點不比前輩們差,三個字形容“穩、準、狠”,招招擊中要害,今天我們就聊聊MoS2。


  與石墨相比,MoS2具有更高的比容量,納米結構的MoS2的可逆容量甚至可以達到1290mAh/g,與Si負極和錫基負極相比,具有更好的循環穩定性和快速充放電的能力,是一種十分具有潛力的鋰離子電池負極材料。MoS2是一種過渡金屬硫化物,具有非常典型的S-Mo-S三明治結構,即兩個硫層夾一個Mo金屬層。在層內原子之間靠強的共價鍵連接在一起,而在層之間則靠相對較弱的范德華力相互連接,這種結構使得鋰離子可以快速的嵌入和脫出。MoS2的工作電壓范圍為0-3.0V,首次充放電時,在1.1V左右會出現一個明顯的放電平臺,在此時晶體結構會發生改變。在3.0-1.1V的范圍內,鋰離子可以可逆的嵌入到MoS2晶體內部,這一部分的容量相當于167mAh/g,當鋰離子繼續嵌入時,材料的電壓會進一步下降到1.1V以下,此時MoS2晶體會發生一系列的相變,在0.6V左右,還會出現一個電壓平臺,關于這個平臺所對應的反應,目前大家還有爭論。


  MoS2是一種理想的負極材料,但是在充放電過程中的體積膨脹會影響MoS2的循環性能,同時由于較低的離子擴散速率和電子電導率,使得材料的倍率性能也較差,這影響了材料快速充放電的能力。為了克服這些缺點,將MoS2與石墨材料進行結合是一種可行的方法。例如Jiang等將單層的MoS2納米片與介孔碳材料結合,這種材料不僅有著良好的儲鋰特性,而且在3℃的低溫和50℃的高溫,都表現出了良好的容量和循環穩定性。JieShao等,成功的將MoS2與氮摻雜石墨材料(MNCDs)進行了結合,制備了高性能MoS2與MNCDs復合材料具有優異的倍率性能,在10A/g的電流密度下(相當于10C左右),復合材料的比容量仍然高達915mAh/g。


  制備的過程分為兩步,首先是合成氮摻雜石墨材料(MNCDs),然后在制備好的MNCDs上生長MoS2。其中MNCDs制備是利用了共沉淀法與高溫分解相結合的方法,首先將Zn(CH3COO)2與2-甲基咪唑分別溶解于甲醇溶液中,利用共沉淀法制得前驅體,并在高溫下,進行裂解反應制得MNCDs。MoS2的生長過程是在MNCDs漿料中,(NH4)2MoS4與N2H4·H2O反應,MNCDs巨大的表面積為MoS2提供了眾多的生長點。然后在Ar氣氛下進行燒結,制得MoS2和MNCDs的復合材料。


  在50mA/g的電流密度下,MoS2和MNCDs的復合材料的初始容量達到1121mAh/g,首次效率為69%,第三次循環容量達到1099mAh/g,庫倫效率達到96%。MoS2和MNCDs的復合材料的實際容量要高于其理論容量(669mAh/g),目前認為,這主要是因為鋰儲存在Mo和Li2S界面。材料具有良好的倍率性能,當電流密度為100,1000,2000,5000,10000mAh/g,材料的比容量分別達到了1070,1039,1028,1004,915mAh/g,倍率從0.1C提高到10C材料的容量只有很少的下降。并且在首100次循環過程中,材料的容量逐漸提高,這可能與氮摻雜多孔石墨有關,氮摻雜石墨在材料中起到兩個作用,首先能起到儲存鋰的作用,其次則起到了電子導體的作用,因此使得MoS2和MNCDs的復合材料具有優異的快速充放電性能。MoS2和MNCDs的復合材料是一種優異的鋰離子電池負極材料,鑒于其獨特的電化學性能,相信該材料還能應用于其他領域,例如超級電容,鈉離子電池和催化劑等領域。


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