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N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料高储锂性能

N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料高储锂性能

二维过渡金属硫化物因其优异的物理和化学性质被广泛应用在锂离子电池、钠离子电池、光催化和电催化等领域。其中,层状MoS2的范德华力较弱,有利于锂离子的嵌入和脱出,且拥有较高的理论比容量(669mAh/g),是一种极具吸引力的锂离子负极材料材料。然而,MoS2不良的导电性,不可逆的结构变化以及与电解质不良的反应等缺点导致了电池容量衰减快、倍率性能差等问题,阻碍其进一步商业化。与N掺杂石墨烯制备成复合材料是解决上述问题的有效途径,但存在着制备过程中成本贵,耗时长和产量低等问题。

近期,天津大学赵乃勤教授课题组等人通过简便、低成本的热分解-还原方法合成出层叠结构的N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料(NDG/MoS2/NDG),其具有高的结晶度,亲密的界面接触且NDG完美包覆MoS2,这可以有效地承载电化学产物Mo和可溶性多硫化物,并抑制对电解质的不良反应,因此作为锂电负极表现出优越的电化学性能,发表在国际期刊Nano Energy上。

N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料高储锂性能

图1 NDG/MoS2/NDG制备过程示意图。

 

NDG/MoS2/NDG电极首次充放电比容量为770和913mAh/g,库伦效率高达84.3%;在电流密度0.1A/g下,循环100次,容量仍高达750mAh/g;在大电流密度1A/g下,循环600次后,比容量为552mAh/g;这体现了NDG/MoS2/NDG电极良好的储锂性能和循环稳定性。在电流密度0.2, 0.5, 1, 2, 4A/g下,NDG/MoS2/NDG电极比容量分别为683, 631, 589, 528和416mAh/g,这体现了优异的倍率性能。NDG/MoS2/NDG电极之所以具有良好的电化学性能归功于独特的层叠结构,有利于维持电极结构的稳定性,有利于锂离子和电子的传输,而且MoS2被包覆在N掺杂石墨烯中,有效地限制多硫化物与电解质的反应,从而提高电池的电化学性能。此设计理念为以后合成N掺杂石墨烯包覆其它金属氧化物或金属硫化物提供了新思路。

N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料高储锂性能

图2 (a)NDG/MoS2/NDG电极的CV图;(b)电流密度0.1 A/g下,NDG/MoS2/NDG电极的循环性能图;(c)NDG/MoS2/NDG电极的倍率性能图;(d)不同电流密度下,NDG/MoS2/NDG电极和NDG/MoS2电极,NDG/MoS2/NDG电极和MoS2电极的容量比;(e)电流密度1 A/g下,NDG/MoS2/NDG电极的循环性能图。

N掺杂石墨烯/MoS2/N掺杂石墨烯复合材料高储锂性能

图3(a-c)MoS2电极,NDG/MoS2电极和NDG/MoS2/NDG电极的嵌锂过程机理图。

 

Biao Chen, Yuhuan Meng, Fang He, Enzuo Liu, Chunsheng Shi, Chunnian He, Liying Ma, Qunying Li, Jiajun Li, Naiqin Zhao, Thermal decomposition-reduced layer-by-layer nitrogen-doped graphene/MoS2/nitrogen-doped graphene heterostructure for promising lithium-ion batteries, Nano Energy 41(2017) 154–163, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.027


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