澳大利亚昆士兰大学赵修松教授Adv.Energy Mater. :扩层MoS2/石墨烯电极材料在Mg2+/Li+混合电池中的应用

【引言】

由于锂离子电池枝晶生长引起的安全问题，以及其取代物（石墨）较低容量性能，多价态离子电池已经持续引起人们的关注。高价态金属，如Mg，Al可直接作为电极用以解决目前锂电池所面临的困境。其中Mg电极展示了极高的可逆容量和近乎100%的库伦效率。除此之外，Mg²⁺电池因为不生成枝晶其安全性较锂电池大大提升。更重要的一点，由于Mg²⁺由于其正二价，在充放电中能够转移更多的电子，其容量比石墨基底的锂电池更高。

【成果简介】

Mg²⁺/Li⁺混合电池是一种具有应用前景的能源器件，它结合了Mg²⁺和Li⁺两种离子各自的电化学的优势。近日，来自澳大利亚昆士兰大学赵修松教授和Nanjundan Ashok Kumar（共同通讯）在Adv.Energy Mater.上发文，题名“A Hybrid Mg²⁺/Li⁺Battery Based on Interlayer-Expanded MoS₂/Graphene Cathode”。文中介绍了MoS₂—石墨烯作为Mg²⁺/Li⁺混合电池的电极材料。该种电池的优势就是同时利用Mg²⁺和Li⁺进行插层。该电池在电流密度为20 mA g⁻¹时容量可达到300 mA h g⁻¹，能量密度高度316.9 W h kg⁻¹与锂电池相当，并且还不会形成枝晶。该种新型电极材料为以后制备一种安全，高能量密度电池提供了新的思路。

【图文导读】

图1MoS₂-石墨烯泡沫制备示意图

图中所示MoS₂-石墨烯泡沫制备过程。该过程采用水热法制备得到MoS₂-石墨烯复合物。

图2石墨烯泡沫生长MoS₂之前和之后的SEM

图a. 石墨烯泡沫反应之前图像

图b. MoS₂生长在石墨烯泡沫图像。

图c. MoS₂-石墨烯泡沫放大图像。

图3块状MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的结构表征

图a. 块状MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的XRD。

图b. 三种材料的拉曼图谱。

图4块状MoS₂，石墨烯泡沫，MoS₂-石墨烯泡沫的高倍TEM以及分子模型

图a, a’. 块状MoS₂不同倍数的TEM。

图b, b’. 石墨烯泡沫不同倍数的TEM

图c, c’. MoS₂-石墨烯泡沫不同倍数的TEM。

图5不同正极材料在Mg²⁺和Mg²⁺/Li⁺电池中的电化学性能图

图a. 不同正极材料在Mg²⁺电池中的性能。

图b. 不同正极材料在Mg²⁺/Li⁺电池中的性能。图中测试的电流均为20 mA g⁻¹，且电压窗口均为0.01至2.0 V

图6.块状MoS₂和MoS₂-石墨烯泡沫复合物在不同电池中的性能

图a, c. 块状MoS₂分别在Mg²⁺电池和Mg²⁺/Li⁺电池中的循环伏安图。

图b, d. MoS₂-石墨烯泡沫复合物分别在Mg²⁺电池和Mg²⁺/Li⁺电池中的循环伏安图。

上图所有扫速均为0.2 mv/s

图7块状MoS₂和MoS₂-石墨烯泡沫复合物的XPS图

图a, c. Mo的3d图谱。

图b, d. S的2p图谱。

图8MoS₂-石墨烯泡沫电极材料在Mg²⁺/Li⁺电池中的倍率性能图

图a. MoS₂-石墨烯泡沫在Mg²⁺电池中的倍率性能。

图b. 对比于已报道文献的倍率性能。

图c. 电流密度为500 mA g⁻¹的循环稳定性。

图d. 在500 mA g⁻¹下第2圈和第500圈的充放电曲线。

图9循环以后的TEM

图a. MoS₂-石墨烯泡沫循环10圈后的TEM图。

图b. MoS₂-石墨烯泡沫循环50圈后的TEM图。

图10阻抗图

【小结】

这项工作介绍了一种双离子电池，其中Mg作为负极，MoS₂作为正极，用双盐电解液作为电池的电解液。在该种电池中Mg²⁺和Li⁺对电性能均有贡献。在电流密度为20 mA g⁻¹时，容量可达300 mA h g⁻¹，此外以500 mA g⁻¹的电流进行循环200圈稳定性可达81%。该种电池在未来具有实际应用价值。

文献链接：A Hybrid Mg²⁺/Li⁺Battery Based on Interlayer-ExpandedMoS₂/Graphene Cathode（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700317）

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