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碳纤维基MoS2纳米花用于高性能钠离子电池

碳纤维基MoS2纳米花用于高性能钠离子电池

钠离子电池(SIBs)因具有低成本和高丰度等优势成为锂离子电池最具潜力的后补对象,然而由于扩散控制的动力学迟滞效应以及较大的体积膨胀,使得SIB在高倍率和长寿命方面不尽人意。

赝电容储能是一种基于表面法拉第反应机制的电荷存储模式,具有类电池的高能量密度以及类双电层电容器的高功率密度。将其组合到电池系统中,有望解决钠存储的高功率和长寿命的问题。

MoS2是一种通过范德华力堆叠在一起并具有类石墨分层结构的材料,其较大的层间距有利于钠离子的嵌入。然而在充放电过程中形成的大块且厚板状的MoS2增加钠离子迁移距离的同时,导致电极材料的粉化破碎。另外MoS2的电子传导性较差,这将进一步引起极化并降低电极材料的利用率。

鉴于此,大连理工大学的邱介山、于畅教授和韦仕敦大学的孙学良教授(共同通讯)等人以碳纤维为基底生长出具有高倍率和长寿命特性的超宽层间距纳米花状MoS2 (E-MoS2/碳纤维)。得益于增强的电荷转移和质量传输,这种E-MoS2/碳纤维电极在达20A/g的电流密度下输出了104mAh/g的容量完全充放电时间也仅为18.7s,其出色的赝电容电荷存储能力使其在长达3000次循环过程中依然能够保持稳定。


碳纤维基MoS2纳米花用于高性能钠离子电池

图1. (a,b)E-MoS2/碳纤维的TEM图像以及(c)HRTEM图像,(d)上述碳纤维、E-MoS2/碳纤维、MoS2/碳纤维和商业MoS2的XRD图谱,(e)MoS2不同层间距的结构模型,(f)碳纤维、E-MoS2/碳纤维、MoS2/碳纤维和商业MoS2的拉曼光谱。

碳纤维基MoS2纳米花用于高性能钠离子电池

图2. (a)E-MoS2/碳纤维在0.1mV/s下的CV曲线,(b)E-MoS2/碳纤维在50mA/g下的充放电曲线,(c)E-MoS2/碳纤维、MoS2/碳纤维和碳纤维的倍率性能,(d)E-MoS2/碳纤维在不同电流密度下的恒电流充放电曲线,(e)E-MoS2/碳纤维、MoS2/碳纤维和碳纤维的循环性能和库伦效率,(f)E-MoS2/碳纤维在5A/g和10A/g下的循环性能。


电化学分析表明:在2mV/s的扫速下,其电容贡献率达89.4%。并且在以商业活性碳(AC)作为对电极制成钠离子混合电容器(SIHC)时,能够提供高达54.9Wh/kg的能量密度。与此同时,作者将其电化学性能优异的原因归结如下:

  • MoS2纳米花的开放结构,能够增加电极材料和电解质之间的接触面积并缩短离子的扩散路径;

  • MoS2的超宽层间距可以降低离子扩散阻力并增加活性表面积;

  • 作为柔性基板的交织碳纤维网络,使得MoS2纳米花上的电子传输更加顺畅。

参考文献:

Changtai Zhao, Chang Yu, Mengdi Zhang, Qian Sun, Shaofeng Li, Mohammad Norouzi Banis, Xiaotong Han, Qiang Dong, Juan Yang, Gang Wang, Xueliang Sun, Jieshan Qiu, Enhanced sodium storage capability enabled by super wide-interlayer-spacing MoS2 integrated on carbon fibers, Nano Energy 2017, DOI: org/10.1016/j.nanoen.2017.08.030 


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