上硅所李驰麟ACS Nano：锂离子电池的高电容量转换负极——MoS2-C

【引言】

随着电动汽车的大量推广，锂离子电池对能量密度的要求越来越高。最新的电极材料已经具备较高的电容量，但是，在充放电循环过程中会出现相分离和体积膨胀，从而导致电极和集流体的接触不良，甚至出现活性物质从基体的脱落，影响电池性能。因此，需要一个更好的结合设计以维持电极的完整性，缓解电池充放电容量的衰退。

【成果简介】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的李驰麟(通讯作者)等人提出了一种超常转换负极的模型，模型由被薄碳层共形封装、数百纳米尺寸的气泡型特殊固态MoS₂组成。这种MoS₂-C混合物通过多金属氧酸盐（POM）基螯合物的同时自硫化和自碳化获得。即使是超薄2D纳米片，MoS₂-C的储锂性能也优于一般MoS₂基的正极。在0.5~1A/g电流密度下，经700次循环后，MoS₂-C的可逆电容量依然高达1500~2000mAh/g，在电流密度为10~20A/g时，其也能维持在1000 mAh/g左右。相关成果以“Supernormal Conversion Anode Consisting of High-Density MoS₂Bubbles Wrapped in Thin Carbon Network by Self-Sulfuration of Polyoxometalate Complex”为题，发表在2017年6月29日的ACS Nano期刊上。

【图文导读】

图1.MoS₂-C复合材料的合成程序示意图及相应溶液和粉末的照片

1). 橘色溶液是DTO，白色溶液是L-半胱氨酸，黄色溶液是POM；

2). 黑色粉末是POM-DTO螯合物，深蓝色粉末是POM-L半胱氨酸螯合物；

3). 合成过程包括螯合作用与高温分解。获得D-MoS₂和L-MoS₂两种材料；

4). MoS₂-C复合材料形态为气泡型MoS₂固体被薄碳层包覆，与以叶状颗粒为主的POM基复合体不同。

图2. D-MoS₂和L-MoS₂的XRD图样及XPS分析

1). 图a：D-MoS₂和L- MoS₂的XRD图样。D-MoS₂的（002）峰值较L- MoS₂明显，表明前者具备S-Mo-S的有序堆叠；

2). 图 b、c、d、e、f分别是D-MoS₂及L- MoS₂中Mo 3d、S 2p、C 1s、N 1s、P 2p的X射线光电子能谱。D-MoS₂的Mo 3d、S 2p峰值低于L- MoS₂相应峰值，表明前者有较厚碳包覆层。D-MoS₂的N 1s峰值较L- MoS2高，表明前者具有高氮掺杂量。

图3. D-MoS₂与L- MoS₂的SEM、TEM图像及D-MoS₂的STEM图像

1). 图a、b分别为D-MoS₂的整体的SEM图像和放大SEM图像；图c、d分别为L-MoS₂的整体的SEM图像和放大SEM图像；

2). 图e、f分别为D-MoS₂的TEM图像和HRTEM图像；图g、h分别为L-MoS₂的TEM图像和HRTEM图像；

3). 图i是D-MoS₂试样经扫描透射电子显微镜获得的元素mapping图。

图4. D-MoS₂与L- MoS₂在锂离子电池中的性能比较

1). 图a：电流密度0.5A/g,电压0.01~3V时充放电容量及库伦效率比较；

2). 图b：电流密度从0.5A/g增至20A/g，储锂倍率性能比较；

3). 图c：电流密度为1A/g时，D-MoS₂与D-C的长期循环性能比较；

4). 图d：电流密度为5A/g时，L-MoS₂与L-C的长期循环性能比较。

图5. D-MoS₂与L-MoS₂的恒流充放电曲线

1). 图a、b：D-MoS₂与L-MoS₂分别作为锂电池负极，在电压为0.01~3V、电流密度为0.5A/g时，不同循环次数的恒定电流充放电曲线。

图6. D-MoS₂与L-MoS₂的交流阻抗谱

1). 图a、b：在5A/g的电流密度下，Li/D-MoS₂电池和Li/L-MoS₂电池分别循环1/500/1000次后的电化学交流阻抗谱；

2). 图C：对应阻抗谱拟合的等效电路。

图7. D-MoS₂与L- MoS₂在钠离子电池中的性能比较

1). 图a：D-MoS₂作为钠离子电池负极，在电压为0.01~3V、电流密度0.1A/g时，不同循环阶段的恒定电流充放电曲线；

2). 图b：D-MoS₂在钠离子电池中，充放电容量及库伦效率与循环次数的关系；

3). 图c：D-MoS₂与L-MoS₂的储钠倍率性能比较。

【小结】

这项工作中，科研人员将几百纳米大小的气泡型MoS₂晶粒用薄碳层共形包覆，获得MoS₂-C复合材料，材料的结构形态是通过螯合物DTO-POM（或POM- L半胱氨酸）的同时自硫化及自碳化形成。碳包覆层和周围更宽的氮磷掺杂碳基质无缝连接，有效避免了活性物质的剥落与导电网络的断裂。D-MoS₂具有较好的储锂能力，其在0.5A/g的电流密度下，经600次循环后，容量仍接近2000 mAh/g，在电流密度为10~20A/g时，其容量依然高达1000mAh/g。

文献链接：Supernormal Conversion Anode Consisting of High-Density MoS2 Bubbles Wrapped in Thin Carbon Network by Self-Sulfuration of Polyoxometalate Complex

（ACS Nano,2017;DOI:10.1021/acsnano.7b03665）

本文由材料人编辑部新人组谢元林编译，黄超审核。点我加入材料人编辑部。

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