大连理工Nano Energy：碳纤维上生长超宽层间距MoS2材料的储钠应用

【引言】

近年来，钠离子电池中的原料金属钠与锂离子电池中的金属锂相比，具有成本低、储量丰富等一系列优势，吸引了众多研究者的关注。随着钠离子电池的发展，其倍率性能和循环性能不佳的问题也日趋显著。赝电容储能不仅能够提供类似于电池的较高能量密度，同时也能具有电双层电容器一般较高的功率密度，可见寻找具有良好的赝电容容量的先进电极材料是解决目前钠离子储能设备相关问题的有效手段。MoS₂材料由于类似石墨烯的层状结构，在储能方面有极大的优势，将其与导电三维碳材料基底复合之后，能够进一步提升材料的综合性能。

【成果简介】

近日，来自大连理工大学的于畅教授、邱介山教授和韦仕敦大学的孙学良教授（共同通讯作者）在Nano Energy上发表了题为“Enhanced Sodium Storage Capability Enabled by Super Wide-Interlayer-Spacing MoS2 Integrated on Carbon Fibers”的文章。该文章以碳纤维作为基底材料，在碳纤维上生长具有超宽层间距（传统材料间距的两倍层间距）的纳米花状MoS₂材料（以下简称E-MoS₂/碳纤维）。在碳纤维上生长的超宽层间距MoS₂材料，不仅保证了电子的快速传输，同时被赋予柔性特性。超宽层间距纳米花状MoS₂材料在缩短离子扩散距离和减小阻抗的同时，进一步增大了他们的有效接触面积，有益于实现能量的快速转换。此外，超宽层间距也为充放电过程提供了内应变的缓解空间。得益于以上组合结构的优点，文中进一步证明了当无粘结剂的柔性E-MoS₂/碳纤维作为负极材料时，钠离子电池和钠离子混合电容器中具有良好的电化学性能。其中，用于钠离子负极材料时，材料具有良好的倍率性能和循环稳定性，在20 A/g电流密度下比容量为104 mAh/g，能够稳定循环3000圈；用于钠离子混合电容器中，由于其优异的赝电容特性，使得最终组装得到的电容器具有较高的能量密度和功率密度。

【图文导读】

图1 E-MoS₂/碳纤维的合成及形貌表征

（a）E-MoS₂/碳纤维的合成示意图

（b）-（d）E-MoS₂/碳纤维不同放大倍率的SEM图

（e）E-MoS₂/碳纤维形貌的SEM图及选区元素分析

（f）E-MoS₂/碳纤维形貌的自支撑性和柔性的特性表征

图2 E-MoS₂/碳纤维的形貌与物相结构表征

（a）-（c）E-MoS₂/碳纤维的TEM及HRTEM图

（d）商业化MoS₂、碳纤维、MoS₂/碳纤维和E-MoS₂/碳纤维的XRD图谱

（e）不同层间距的MoS₂材料层状结构模型

（f）碳纤维、E-MoS₂/碳纤维和商业化MoS₂材料的Raman光谱图

图3商业化MoS2和E-MoS₂/碳纤维的局部化学结构和环境表征

（a）商业化MoS2和E-MoS₂/碳纤维的K能级的XANES图谱

（b）商业化MoS2和E-MoS₂/碳纤维K能级的傅里叶变换EXAFS图谱

图4 E-MoS₂/碳纤维作为钠离子电池负极的电化学性能表征

（a）E-MoS₂/碳纤维在0.1 mV/s扫速下的CV曲线

（b）电流密度为50 mA/g时，E-MoS₂/碳纤维的充放电曲线

（c）E-MoS₂/碳纤维、MoS₂/碳纤维及碳纤维的倍率性能对比

（d）E-MoS₂/碳纤维在不同电流密度下，恒电流充放电曲线图

（e）E-MoS₂/碳纤维、MoS₂/碳纤维及碳纤维的循环性能表征

（f）电流密度为5 A/g和10 A/g时，E-MoS₂/碳纤维的循环性能曲线

图5 E-MoS₂/碳纤维在钠离子电池中的赝电容特性分析

（a）E-MoS₂/碳纤维在不同扫描速率下的CV曲线图

（b）在电压0.8 V时，E-MoS₂/碳纤维的电流-扫速关系图

（c）E-MoS₂/碳纤维的b值-电压关系图，内置图为E-MoS₂/碳纤维在不同电压下的电流-扫速关系图

（d）不同扫描速率下，电容型容量贡献和电池型容量贡献比例图

图6 E-MoS₂/碳纤维与活性炭组装得到的钠离子混合电容器（E-MoS₂/碳纤维//活性炭）的电化学性能表征

（a）在不同电流密度下，E-MoS₂/碳纤维//活性炭混合钠离子电容器的恒流充放电曲线

（b）E-MoS₂/碳纤维//活性炭混合钠离子电容器的Ragone图及与其他储能设备的对比图

【总结】

研究人员通过简单的制备方法得到了生长在碳纤维上具有超宽层间距（大于1.34 nm）的MoS₂纳米花材料，其间距是传统MoS₂材料层间距（约0.62 nm）的约两倍宽。最终得到的E-MoS₂/碳纤维不仅能够缩短离子扩散的距离、减小离子扩散的阻抗，还能扩大反应过程中的有效面积。进一步将该柔性电极材料应用到钠离子电池和钠离子混合电容器中，均表现出了良好的电化学性能。该工作为配置柔性电极提供了简单而有效的策略，同时激励研究人员进一步开发能够实现高倍率、长寿命储钠的赝电容材料。

文献链接：Enhanced Sodium Storage Capability Enabled by Super Wide-Interlayer-Spacing MoS₂Integrated on Carbon Fibers（Nano Energy，2017，DOI：10.1016/j.nanoen.2017.08.030）

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