钱逸泰院士课题组Nano Research：限域生长，探索更稳定的负极材料！

第一作者：李阳

通讯作者：钱逸泰，林宁

通讯单位：中国科学技术大学

近日，中国科学技术大学钱逸泰院士课题组在Nano Research报道了一种利用石墨二维层间限域作用，原位硫化一阶MoCl₅-石墨插层化合物（MoCl₅–GIC）来合成MoS₂插层石墨异质层材料（G–MoS₂）的方法。

研究背景

石墨基负极锂离子电池和钾离子电池面临的主要挑战是能量密度较低以及倍率性能较差，这主要是受石墨的可逆容量和较慢的反应动力学限制。石墨负极可以与Li和K反应形成LiC₆和KC₈，其理论比容量分别为372和279 mAh·g^-1。尽管当高导电性石墨用作锂离子电池和钾离子电池的负极时，其循环稳定性极佳，但石墨的低容量和较差的高倍率性能仍促使研究人员探索更好的电极材料。

得益于其在插层型反应和转化型反应的高容量，将层状金属硫化物如MoS₂用于锂离子电池和钾离子电池负极引起了研究人员的兴趣。MoS₂具有0.62 nm的较大层间距，这有利于Li⁺/K⁺的嵌入/脱出。然而，MoS₂的缺点在于固有电导率低，碱金属离子扩散缓慢和存在多硫化物的穿梭效应，导致其应用在锂离子电池和钾离子电池中时，倍率性能不佳且循环稳定性差。

为了解决上述问题，人们转向于设计纳米结构的MoS₂ /导电基质复合材料，有效调节了MoS₂的长循环稳定性和倍率性能。尽管人们一直不懈地致力于合成新型的纳米MoS₂ /导电基质复合材料，但由于MoS₂与基质之间的弱相互作用力，纳米MoS₂在循环过程中倾向于重新堆叠成块体材料并与基质分离，从而限制了其长循环性能。如何通过实现纳米级MoS₂与导电基质之间稳定结合是值得深入探讨的问题。

成果简介

中国科学技术大学钱逸泰院士课题组从材料设计视角，报道了一种利用石墨二维层间限域作用，原位硫化一阶MoCl₅-石墨插层化合物（MoCl₅–GIC）来合成MoS₂插层石墨异质层材料（G–MoS₂）的方法。相关论文近期发表于Nano Research。

要点1：MoS₂-插层石墨异质层制备与表征

在这项工作中，作者引入了一种利用石墨二维层间限域作用的方法，通过原位硫化一阶MoCl₅-石墨插层化合物（MoCl₅–GIC）来合成MoS₂插层石墨异质层材料（G–MoS₂）。将3–7层MoS₂纳米片均匀锚固在石墨层的层间，以形成层夹层的G–MoS₂异质结构。

图1. G–MoS₂合成过程的示意图。

图2. G–MoS₂的结构及形貌表征。

图3. G–MoS₂和前驱体的的相关表征。

要点2：电化学性能

MoS₂和石墨的各自优点集成在G–MoS₂复合材料中，例如MoS₂的高容量和石墨层的柔韧性，而且异质层的紧密界面接触也充分发挥了高导电性石墨作为MoS₂基质的作用。

图4. G–MoS₂的储锂/钾性能。

图5. G–MoS₂的动力学研究及循环后表征。

图6. G–MoS₂的扩散路径和能垒的相关计算。

参考文献

Li, Y., Jiang, S., Qian, Y. et al. 2D interspace confined growth of ultrathin MoS2-intercalated graphite hetero-layers for high-rate Li/K storage. Nano Res. (2020).

https://doi.org/10.1007/s12274-020-3150-9

识别二维码或点击左下角“阅读原文”

可访问全文

长

按

关

注

解锁更多精彩内容

Nano Research公众号

微信号：Nano_Research

网址：www.thenanoresearch.com