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MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

二硫化钼(MoS2)作为一种典型的二维材料,具有独特的二维层状结构,能够承载多个Li+/Na+MoS2层之间的弱范德华相互作用,可以促进可逆的离子脱嵌,使得MoS2具有高理论比容量和良好的倍率能力。然而硫化物的导电性低,体积变化大以及低的活性材料利用率导致较差的循环稳定性和倍率性能。石墨烯具有大的表面积,高导电性和优异的机械稳定性,成为最佳的复合材料组分;其不仅可以确保MoS2的高负载量,同时可保持MoS2有效暴露。然而已报道的复合物中MoS2的负载量相当有限(<85wt%),阻碍了MoS2基高性能复合材料的进一步发展。

德国德累斯顿工业大学的冯新亮教授课题组在电化学剥离的石墨烯(EG)上垂直生长MoS2纳米片(EG-MoS2。这种独特的结构结合了垂直排列结构和二维几何结构的能量储存优势,增强了电荷传输动力学和活性材料的易获取性;超薄MoS2纳米片与EG的紧密接触可有效防止结构劣化并赋予优异的电子传输性能,使其展现出优异的储锂和储钠性能。

MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

图1. EG-MoS2制备程序的示意图。

MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

图2. a)EG和垂直排列的EG-MoS2,b, c)在不同放大倍数下的SEM图像。d-f)EG-MoS 2的TEM和g,h)形成的的HRTEM图像。 i)EG-MoS2的TEM-EDS元素mapping。


电化学性能:EG-MoS250mA/g的低电流密度下进行恒电流充放电时,容量分别为2145和1543mAh/g,库仑效率(CE)为72%。当以1A/g的高电流密度充/放电150次时,容量保持1250mAh/g,平均CE为99.2%,这是迄今为止在LIBs中基于MoS2的复合材料所实现的最高容量值。其优异的容量表明EGS-MoS2MoS2含量即使在95wt%的和1A/g的电流密度下也能可逆地与Li+发生电化学反应。相比之下,在相似的条件下制备的MoS2电极初始表现出稳定的循环性能,然后在第150次循环时容量快速衰减到425mAh/g。这两个电极之间的显着的循环差异意味着2D EG-MoS2MoS2的更好的机械稳定性。将电流密度从0.1增加到5A/g,充电/放电曲线保持相同的形状,仅观察到轻微的极化,突出了2D EG-MoS2电极内Li离子和电子的优异输运性质。EG-MoS2电极分别在0.1, 0.2, 0.5, 1和2A/g的条件下提供了1385, 1297, 1217, 1182和1138mAh/g的容量;即使在5A/g的高电流密度下,仍然可以实现970mAh/g的稳定放电容量;当电流恢复到0.1 A/g时,容量恢复到1980mAh/g左右

MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

图3. EG-MoS2作为LIB负极的电化学性能。 a)CV曲线和b)初始充放电曲线。c)EG-MoS2MoS2在1A/g时的循环性能。 d)EG-MoS2在不同电流密度下的充放电曲线。 e)EG-MoS2MoS2的倍率性能。


EG-MoS2电极在SIB中的电化学性能:初始放电和充电容量分别为724和695mAh/g,初始CE高达96%。EG-MoS2电极在1A/g电流密度下循环250次,可逆容量为509mAh/g。在电流密度分别为0.1, 0.2, 0.5, 1和2A/g时,可维持575, 519, 480, 450和420mAh/g的高可逆容量;当电流密度恢复为0.1A/g时,仍能保持545mAh/g的容量,表明其具有极好的可逆性。

MoS2纳米片垂直排列在石墨烯上用于储锂/钠

图4.EG-MoS2作为SIB负极的电化学性能。 a)100mA/g时的初始充放电曲线,b)EG-MoS2在1A/g时的循环性能,c)EG-MoS2在不同电流密度下的充放电曲线,d)EG-MoS2的倍率性能。

 

Gang Wang, Jian Zhang, Sheng Yang, Faxing Wang, Xiaodong Zhuang, Klaus Müllen, XinliangFeng, Vertically Aligned MoS2 Nanosheets Patterned on Electrochemically Exfoliated Graphene for High-Performance Lithium and Sodium Storage, Adv. Energy Mater., 2017, 1702254,DOI:10.1002/aenm.201702254


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