鋰離子電池憑借穩(wěn)定的性能和成熟的工藝得到廣泛使用;然而，鋰資源的匱乏促使人們持續(xù)尋求新一代的能量儲(chǔ)存材料與技術(shù)，其中，鈉離子電池因鈉資源豐富、分布廣泛和成本低廉等特點(diǎn)，在國內(nèi)外備受關(guān)注，有望替代鋰離子電池成為智能電網(wǎng)等大規(guī)模儲(chǔ)能使用的首選。與鋰離子電池相比，鈉離子電池的倍率性能和循環(huán)性能很不理想，其緊要原由是鈉離子的離子半徑較大，導(dǎo)致緩慢的固態(tài)離子擴(kuò)散和充放電過程中的體積膨脹。新結(jié)構(gòu)高性能電極材料之設(shè)計(jì)與可控合成是克服這一難題的有效途徑。

【成果簡介】

邱介山教授領(lǐng)導(dǎo)的遼寧省“能源材料化工”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授合作，在前期研究工作的基礎(chǔ)上(超細(xì)MoO2納米顆粒鑲嵌核殼納米棒的新結(jié)構(gòu)，AdvEnergyMater2017,7,1602880;超大層間距(1.34nm)MoS2與碳纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)新材料，NanoEnergy2017,41,66-74)，提出了一個(gè)全新的技術(shù)策略。基于原位化學(xué)用途，利用活性物質(zhì)精細(xì)調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑具有分級結(jié)構(gòu)的碳基納米復(fù)合材料;通過調(diào)控電極材料的本征結(jié)構(gòu)，新增了電極材料的表面/近表面反應(yīng)的貢獻(xiàn)比例，顯著提高了鈉離子電池的倍率性能。該研究成果發(fā)表在Adv.Mater.上(2018,30,1702486)。這一工作為拓展高倍率鈉離子電池電極材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑辦法，開辟了新的技術(shù)途經(jīng)。

【圖文介紹】

圖1.G@MoS2-C納米片a)制備示意圖,b)SEM圖,c)TEM圖,d)HRTEM圖;e,f)Na原子在MoS2不同層間距之間的擴(kuò)散過程示意圖;g)不同過渡狀態(tài)下擴(kuò)散能量屏障曲線。

圖2.a)G@MoS2-C納米片在電流密度為3A/g時(shí)長期循環(huán)性能，MoS2-C納米球和G@oS2-C納米片b)0.1-50A/g不同電流密度下的倍率性能，c)不同倍率下電化學(xué)反應(yīng)示意圖。

【小結(jié)】

本文研究人員以氧化石墨烯為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，利用多巴胺與鉬酸銨的絡(luò)合用途以及多巴胺的原位聚合反應(yīng)，輔以高溫硫蒸氣硫化解決，合成出層間距更大的少層MoS2與石墨烯有機(jī)耦合的復(fù)合納米片材料(G@MoS2-C)：

G@MoS2-C的神奇二維片型結(jié)構(gòu)，有利于縮短鈉離子的擴(kuò)散距離;具有張大層間距的少層MoS2，則有利于提高活性物質(zhì)的利用率;三明治層間的石墨烯，有利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。

密度泛函理論研究證明，隨MoS2層間距的新增，鈉離子在其層間的擴(kuò)散能壘逐步減小，鈉離子的擴(kuò)散阻力降低。

該材料作為鈉離子電池的負(fù)極材料，在3A/g的電流密度下，循環(huán)4500圈后，G@MoS2-C的比容量仍高達(dá)253mAh/g;在50A/g的超高電流密度下，表面/近表面反應(yīng)的貢獻(xiàn)比例新增，其比容量可達(dá)93mAh/g。