苏州大学&美国阿贡国家实验室：非晶MOS3作为室温条件下Li-S和Na-S电池硫当量正极材料

【引言】

目前Li-S和Na-S电池存在的问题主要是其电池反应中存在多硫中间体，尽管近年来人们不断致力于在正极表面上修饰各种功能材料，以捕获多硫化物减少影响，但仍旧无法彻底解决这一问题。开发具有高性能、高容量、高稳定性同时电极反应中少有甚至不产生中间多硫化物的正极电极材料成为目前硫电池领域的重要发展需求。

【成果简介】

近日，苏州大学李彦光教授与美国阿贡国家实验室陆俊（通讯作者）合作，在Li-S及Na-S电池正极材料开发领域取得重要进展，并在P. Natl. Acad. Sci.发表题为“Amorphous MoS₃as the sulfur-equivalent cathode material for room-temperature Li–S and Na–S batteries”的文章。研究者提出了硫当量正极材料的概念，并展示了非晶态MoS₃作为室温下Li-S和Na-S电池材料的巨大潜力。在Li-S电池中，MoS₃显示出类似硫的行为，具有大的可逆比容量，同时其优异的循环寿命为实现高容量提供可能性。尤其令人欣喜的是，在55℃的较高温度下，其在碳酸盐电解质中也是完全可循环的。MoS₃也可以用作更具挑战性的Na-S电池的正极材料，以实现良好的容量和较好的循环寿命。通过X射线吸收光谱（XAS）实验可以追踪MoS₃的结构演变—在重复电池循环期间，大部分MoS₃保留其原有链状结构而不产生任何游离的多硫化物中间体。

【图文导读】

图1层状MoS₃电化学性能

(A)　MoS2在 50 mA / g下1.2到3 V的恒电流充放电曲线；

(B)　MoS2恒电流充放电曲线，其初始循环在0.01和3V之间（活化过程），随后在1.2和3V之间循环（50mA / g）；

以上两种测试条件下，层状的MoS2均表现出小的有用容量；

图2 MoS₃结构表征

(A)　XRD图(插图-1D 链状MoS₃结构示意)；

(B)　拉曼光谱；

(C)　S 2p XPS谱；

(D和E)　不同放大倍率的TEM图像；

(F)　MoS₃的TGA曲线；

图3 MoS₃作为Li-S电池硫当量正极电化学性能

(A)　0.1mV / s扫描速率下CV曲线；

(B)　23mA / g时恒电流充放电曲线-将比容量归一化为MoS₃的总质量(底部x轴)或MoS₃中S的质量(顶部x轴)；

(C)　0.45A / g时循环稳定性和相应的库仑效率；

(D)　从0.09到9A / g的速率能力；

(E)　前几个循环中高负载电极(6.9mg / cm²)在0.1mA / cm²下的循环稳定性以及随后提高至0.5mA / cm²的循环稳定性；

(F)　0.45A / g及55℃碳酸盐电解质中循环稳定性和相应的库仑效率；

图4OperandoXAS研究MoS₃作为Li-S电池硫当量正极材料

(A)　锂化过程中Mo的 K边缘演变XANES谱；

(B)　与MoS₂和金属Mo相比，MoS₃在锂化和脱锂过程中的傅里叶变换Mo K-边缘EXAFS光谱(插图)放大的图像显示在电池循环过程中Mo-S键长度的轻微变化；

(C)　锂化过程中S K边缘演变XANES谱；

(D)　锂化MoS₃链中的模拟电荷密度分布，青色，蓝色和黄色球分别代表Li，Mo和S原子，而绿色和砖红色区域表示电子的耗尽和积累；

图5 MoS₃作为Na-S电池硫当量正极材料的电化学性能和OperandoXAS研究

(A)　23mA / g下恒流充放电曲线；

(B)　0.45A / g下循环稳定性和相应的库仑效率；

(C)　0.09到9A / g的速率能力；

(D)　在前几个循环中高负载电极(7.1mg / cm²)在0.1mA / cm²下以及随后增加至0.5mA / cm²电极循环稳定性；

(E和F)　Mo K-edge和S K-edge演变 XANES谱；

【小结】

本研究展示了无定形链状MoS₃作为室温硫电池的硫当量正极材料的优质性能。此外，该电极在水溶液中通过酸沉淀法就可以获得，制备方法简单。在Li-S电池中，MoS₃（接近硫）相对于Li⁺/ Li表现出约1.1V的放电平台，较高的可逆比容量，优异的循环寿命以及高的区域容量。XAS数据表明MoS₃的重复锂化和脱锂不会引起显著的Mo-S键断裂或Mo-Mo键形成。MoS₃也被用作Na-S电池的正极材料，也表现出良好的电池容量和循环寿命。本研究为锂硫、钠硫等电池高性能正极材料的开发与设计提供了重要途径。

文献链接：Amorphous MoS₃as the sulfur-equivalent cathode material for room-temperature Li–S and Na–S batteries(P. Natl. Acad. Sci., 2017, doi: 10.1073/pnas.1711917114)

本文由材料人编辑部连婷婷编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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