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新型无定型三硫化钼(MoS3)钠离子电池负极材料的构筑

二次电池作为一种储能工具,在便携式电子设备、电动汽车以及电网储能等领域得到了普遍应用。相对于锂离子电池而言,钠离子电池成本优势明显,有望成为新一代的大规模储能体系。然而,钠离子的半径为1.02 Å,比锂离子半径(0.76 Å)大约34%。因此,钠离子电池电极材料在充放电过程中会产生更大的体积变化,从而导致电极结构坍塌和粉碎问题更易发生。同时,从动力学角度来看,尺寸较大的钠离子在电极材料中的嵌入与脱嵌速度要比锂离子更慢,这就使得钠离子电池在循环寿命和功率性能上极具挑战。针对这一挑战,以MoS2为代表,具有类石墨结构,却比石墨有着更大层间距的二维层状材料受到了人们的广泛关注(图a)。但大部分的层状材料都面临着比容量低(<500 mAh/g),倍率性能不足(<20 A/g),循环性能差等问题。


近日,苏州大学李彦光教授课题组与美国阿贡国家实验室Jun Lu博士课题组合作设计了一种致密的无定型三硫化钼材料(图b)。研究发现这种无定型的一维链状MoS3作为钠离子电池负极材料,相对于二维层状MoS2,展现出更高的容量(≈615 mAh/g)和倍率性能(>200 mAh/g @20 A/g) (图c)。另外,合成出的无定型三硫化钼材料具有非常致密的结构和较低的孔隙率。在高负载(12.1 mg/cm2)的条件下,获得了能够与锂离子电池硅电极相媲美的面容量(≈6.7 mAh/cm2)(图d)和体积容量(≈1000 mAh/cm3)。研究认为这些优越的性能得益于MoS3本身的无序、开放的无定型结构,该结构能够与电解液比较好地相容,从而有利于钠离子在电极内部的扩散。同时,单壁碳纳米管的引入也大大提高了电子在电极材料表面的传输速率。此外,DFT计算结果也表明,相对于二维层状的MoS2而言,这种一维链状MoS3有着更多的储钠位点和更低的扩散势垒。


这些结果表明,这种无定型结构MoS3材料是一种非常有潜力的钠离子电池负极材料。同时,该研究也展现出了一条新的发展钠离子电池负极材料的方法,这对发展高性能、长寿命、高功率的钠离子电池具有一定的借鉴意义。


李彦光教授简介


李彦光博士,苏州大学教授。2010年获得美国俄亥俄州立大学化学系化学博士学位,2010至2013年,在美国斯坦福大学化学系从事博士后研究;2013年10月,入职苏州大学功能纳米与软物质研究院;2015年入选第六批青年千人计划、江苏省杰青和国家优青。主要研究方向是:高效能量转换无机纳米功能材料,围绕在光-电-化学能相互转换,在电催化、电池储能、水的光电裂解方面的应用探索。


Dr. Jun Lu简介


Jun Lu博士,美国阿贡国家实验室研究员。主要研究方向是:电化学能源储存与转化。科研兴趣涉及电化学能源存储及转换等领域。研究内容主要是锂离子电池和金属锂电池方面,如对开放式锂空气电池和闭合式锂空气电池的研究,锂离子电池中高能量密度正极材料的设计,锂硫电池中高能量密度正极材料,固态电解液及阴极材料的研究,钠离子电池和钠空气电池中的材料及电池形态的设计。发表超过170篇著作,其中包括期刊Nature(自然),Nature Energy(自然能源),Nature Nanotechnology(自然纳米技术),Nature Communications(自然通讯),Chemical Reviews(化学综述),JACS(美国化学会志)等。目前工作已经被引用超过6000次。十余篇专利被授权,其中有一些突破性的发现极有可能在小型电子器件及电动车行业商业化。


该论文作者为:Hualin Ye, Lu Wang, Shuo Deng, Xiaoqiao Zeng, Kaiqi Nie, Paul N. Duchesne, Bo Wang, Simon Liu, Junhua Zhou, Feipeng Zhao, Na Han, Peng Zhang, Jun Zhong, Xuhui Sun, Youyong Li, Yanguang Li, Jun Lu

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Amorphous MoS3 Infiltrated with Carbon Nanotubes as an Advanced Anode Material of Sodium-Ion Batteries with Large Gravimetric, Areal, and Volumetric Capacities

Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601602


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