提高充電機(jī)充電鈉離子蓄電池負(fù)極的倍率性能的三明治結(jié)構(gòu)有多牛？
2017-9-6 10:14:56??????點擊：
【導(dǎo)言】
跟著充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的使用規(guī)劃不斷擴(kuò)大，鋰資源的耗竭及鋰價格的攀升促進(jìn)人類活躍尋覓相應(yīng)的替代品。充電機(jī)充電鈉離子蓄電池作為充電機(jī)充電鋰離子蓄電池理想的替代品，近年來的研討熱度不斷攀升。然而與鋰離子比較，鈉離子的原子半徑及配位數(shù)更大，在電解質(zhì)溶液中分散時遭到的阻力更大，所以怎么經(jīng)過規(guī)劃電極結(jié)構(gòu)到達(dá)促進(jìn)鈉離子傳質(zhì)的目的，然后提高充電機(jī)充電鈉離子蓄電池的比容量、倍率功能及循環(huán)穩(wěn)定性就成了充電機(jī)充電鈉離子蓄電池研討作業(yè)中的要點問題。
2H MoS2由于具有高的理論容量（670 mAh g-1）而成為倍受研討的充電機(jī)充電鈉離子蓄電池負(fù)極資料。但2H MoS2歸于半導(dǎo)體，其直接帶隙為1.9 eV，故本征導(dǎo)電性差。此外，2H MoS2在充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程中存在結(jié)構(gòu)粉化及顆粒聚會的問題，使充電機(jī)充電鈉離子蓄電池的倍率功能及循環(huán)穩(wěn)定性隨循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程不斷下降。與2H MoS2比較，1T MoS2由于晶體結(jié)構(gòu)中的姜-泰勒效應(yīng)而呈現(xiàn)出金屬性，具有遠(yuǎn)高于2H MoS2的電子導(dǎo)電性，有助于電子搬運(yùn)進(jìn)程，而其外表的親水性有用的有助于鈉離子從電解質(zhì)溶液體相分散到MoS2外表。根據(jù)上述優(yōu)勢，1T MoS2是比2H MoS2更好的充電機(jī)充電鈉離子蓄電池負(fù)極資料。然而，由于制備1T MoS2的傳統(tǒng)辦法要用到易燃的正丁基鋰等插層分子，其制備辦法一向沒有取得打破，使用遭到極大的約束。
【效果簡介】
近來，美國東北大學(xué)的祝紅麗副教授（通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上宣布了一篇名為“Freestanding Metallic 1T MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries”的文章。在這項作業(yè)中，研討人員初次用水熱法在空心三維石墨烯泡沫的表里外表上原位組成了1T MoS2，構(gòu)成1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)，并把它作為充電機(jī)充電鈉離子蓄電池的負(fù)極，測驗了相應(yīng)的電化學(xué)功能。制得的1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)具有下列優(yōu)勢：(1)為鈉離子的分散供給了兩種通道；(2) 以空芯的三維石墨烯泡沫為基底提高了活性物質(zhì)的面負(fù)載量；(3)由三維石墨烯泡沫負(fù)載MoS2構(gòu)成的系統(tǒng)具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，無需增加粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑。經(jīng)循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電測驗，當(dāng)電流密度為0.05 A g-1時1T MoS2/石墨烯/ MoS2負(fù)極在200次充電機(jī)充電蓄電池充放電后的可逆容量為313 mAh g-1。當(dāng)電流密度為2 A g-1時其容量為175 mAh g-1。這項作業(yè)為1T MoS2在充電機(jī)充電鈉離子蓄電池中的使用鋪平了路途。
【圖文導(dǎo)讀】
1. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)的制備進(jìn)程
(a-d) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)的制備進(jìn)程：先用化學(xué)氣相堆積（CVD）辦法在泡沫鎳上堆積一層石墨烯，再用FeCl3刻蝕除去泡沫鎳，得到通明空心的三維石墨烯泡沫，最終用水熱法在三維石墨烯泡沫的表里外表上成長1T MoS2。
(e) 用水熱法在三維石墨烯泡沫上成長1T MoS2的示意圖（圖中紅點和綠點別離表明硫代乙酰胺和MoO3）。
(f) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)能夠靜置在蒲公英上，表明系統(tǒng)的密度很小。
圖. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)表征
(a) Mo 3d的XPS譜。
(b) S 2p的XPS譜。
(c) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的拉曼光譜。
(a) 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的XRD。
3. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的SEM圖
(a) 三維石墨烯泡沫。
(b,c) 表里外表均負(fù)載有1T MoS2的石墨烯管。
(d) 石墨烯管外外表的1T MoS2。
(e) 石墨烯管表里表的1T MoS2。
(f) 一根石墨烯管的截面圖。
4. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的HRTEM圖
(a,b) 低倍HRTEM圖，可見石墨烯管外表負(fù)載了高密度的1T MoS2。
(c) 1T MoS2的高倍HRTEM圖。
(d) 1T MoS2的選區(qū)電子衍射譜。
5. 1T MoS2/石墨烯/ MoS2的電化學(xué)功能測驗
(a) 電流密度為50 mA g-1時循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電次數(shù)別離為1，10，30，80次的充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線。由圖可知初次庫倫功率為64%；只要初次放電時才干觀測到0.8 V vs. Na+/Na的電壓渠道，其余充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程都沒有，這是由于初次放電構(gòu)成SEI膜時有機(jī)電解質(zhì)發(fā)作復(fù)原反響而分化；在隨后的充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程中，能觀察到1.6 V vs. Na+/Na的充電渠道和1.8 V vs. Na+/Na的充電渠道，別離對應(yīng)鈉離子的可逆嵌入和脫嵌進(jìn)程。
(b) 循環(huán)伏安曲線（掃描電壓區(qū)間為0.01~3.0V vs. Na+/Na，掃描速度為0.1 mV s-1）。由圖可見在1.7V vs. Na+/Na有強(qiáng)的氧化復(fù)原峰，在0.8V vs. Na+/Na有弱的復(fù)原峰，這與圖5(a)中的充電機(jī)充電蓄電池充放電渠道一致。跟著掃描次數(shù)的增加，氧化復(fù)原峰的峰位和峰高簡直不變，闡明系統(tǒng)的循環(huán)可逆性好。
(c) 電流密度為50 mA g-1時三維石墨烯泡沫和1T MoS2/石墨烯/MoS2的放電比容量和庫倫功率隨循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電次數(shù)的改變。由圖可見1T MoS2/石墨烯/ MoS2的初次放電比容量為630 mAh g-1，循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電10次時放電比容量降為340 mAh g-1，循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電200次今后放電比容量穩(wěn)定在313 mAh g-1。庫倫功率為99%，闡明循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程中簡直沒有副反響發(fā)作。石墨烯的層距離只要0.34 nm，不能容納鈉離子，對容量沒有奉獻(xiàn)。
(d) 充電機(jī)充電蓄電池充放電倍率為0.05C~2C時的倍率功能。當(dāng)電流密度別離為0.5，0.8，1.0，1.5，2.0 A g-1時，可逆容量別離為241，222，208，190，175 mAh g-1。當(dāng)電流密度驟降到0.05 A g-1時，可逆容量為313 mAh g-1。
(e) 循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電次數(shù)別離為0，5，10，100次時的電化學(xué)阻抗譜，均為徹底放電狀態(tài)下測得。由圖可見1T MoS2/石墨烯/ MoS2的歐姆阻抗接近于0，這是由于1T MoS2和石墨烯都是好的電子導(dǎo)體。跟著循環(huán)次數(shù)增加，電極資料逐步被電解質(zhì)溶液潮濕，電荷搬運(yùn)阻抗逐步下降并在循環(huán)10次后穩(wěn)定在600Ω。經(jīng)過比較Nyquist圖的斜率可知離子分散到達(dá)穩(wěn)態(tài)。
【小結(jié)】
這項作業(yè)初次研討了1T MoS2作為室溫充電機(jī)充電鈉離子蓄電池負(fù)極資料的電化學(xué)功能。經(jīng)過水熱法在空心三維石墨烯泡沫的表里外表上原位組成1T MoS2，構(gòu)成的1T MoS2/石墨烯/ MoS2三明治結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：(1) 1T MoS2的低電阻率使其在高電流密度下能堅持高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性；(2) 三維石墨烯泡沫不僅能避免1T MoS2顆粒在循環(huán)充電機(jī)充電蓄電池充放電進(jìn)程中發(fā)作聚會，還具有低的電阻率，有利于電子傳遞并堅持較好的的循環(huán)穩(wěn)定性；(3) 空心的三維結(jié)構(gòu)增大了電極和電解質(zhì)溶液的接觸面積，縮短了離子分散距離，提高了倍率功能；(4) 無需任何增加劑，能高效使用活性電極資料。將該三明治結(jié)構(gòu)作為充電機(jī)充電鈉離子蓄電池負(fù)極，具有比2H MoS2負(fù)極更好的倍率功能和循環(huán)穩(wěn)定性，在電流密度為2 A g-1時可逆容量為175 mAh g-1，而當(dāng)電流密度為0.05 A g-1時可逆容量為313 mAh g-1。這種在三維空心結(jié)構(gòu)上負(fù)載二維層狀納米資料的辦法能夠推廣到許多儲能資料的制備中去。
【文獻(xiàn)信息】
Freestanding Metallic 1T MoS2 with Dual Ion Diffusion Paths as High Rate Anode for Sodium-Ion Batteries (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702998)
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