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水系鋅離子電池以其低成本和高安全性而在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊前景。然而，由于鋅離子在電極材料的嵌入/脫出過(guò)程中擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)緩慢，限制了電池的發(fā)展。近期，一種經(jīng)典的二維（2D）材料二硫化鉬（MoS₂）受到了研究者的廣泛關(guān)注，這是因?yàn)镸oS₂具有較多的有利于離子擴(kuò)散的溫和2D通道。但是，MoS₂較窄的層間距和較差的導(dǎo)電性導(dǎo)致容量和倍率性能較差，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。因而，仍需通過(guò)合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善MoS₂的導(dǎo)電性并提高其容量和倍率性能。

近日，由桂林理工大學(xué)龍飛教授和華中科技大學(xué)的高義華教授課題組合作，通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑熱法在還原氧化石墨烯（rGO）上原位生長(zhǎng)了1T-MoS₂納米花，成功構(gòu)建出MoS₂和rGO的穩(wěn)固異質(zhì)結(jié)構(gòu)（MoS₂-rGO），并用于水系鋅離子電池。

圖1. MoS₂-rGO材料表征

研究人員通過(guò)X射線衍射分析、激光拉曼光譜分析、X射線光電子能譜分析、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡以及透射電鏡等表征手段研究了該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物相組成及微觀形貌。研究發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有迷人的特性：首先，rGO為MoS₂的生長(zhǎng)提供了良好的平臺(tái)，并誘導(dǎo)生長(zhǎng)出了豐富的金屬1T相MoS₂，提高了MoS₂正極的導(dǎo)電性；其次，豐富的金屬1T相MoS₂和高導(dǎo)電性rGO的協(xié)同作用加快了電子的傳輸；此外，MoS₂納米花在rGO上均勻生長(zhǎng)且分散開(kāi)來(lái)，有效地緩解了MoS₂的層間堆疊，為鋅離子的擴(kuò)散拓寬了道路。

圖2. MoS₂-rGO的電化學(xué)性能

電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，得益于上述優(yōu)異的特性，在半電池中，MoS₂-rGO異質(zhì)結(jié)構(gòu)在0.20 A g^-1具有高達(dá)303.10 mAh g^-1的比容量，而且當(dāng)電流密度增加100倍時(shí)仍有33.88 %的容量得以保留（20.00 A g^-1時(shí)比容量為102.70 mAh g^-1），顯示出較高的倍率性能。系統(tǒng)的異位表征測(cè)試表明了鋅離子在異質(zhì)結(jié)中高度可逆的嵌入和脫出的儲(chǔ)能機(jī)理。密度泛函理論計(jì)算證實(shí)了MoS₂-rGO異質(zhì)結(jié)相較于原始的MoS₂具有更高的導(dǎo)電性和更低的鋅離子擴(kuò)散勢(shì)壘。最后，令人印象深刻的是，基于MoS₂-rGO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)固態(tài)水系鋅離子電池在彎曲狀態(tài)和極端溫度下也表現(xiàn)出穩(wěn)定的電化學(xué)性能。這項(xiàng)工作為構(gòu)建水系鋅離子電池高性能的層狀正極材料提供了借鑒。

圖3. MoS₂-rGO//Zn準(zhǔn)固態(tài)電池在不同柔性和不同溫度下的充放電性能

論文信息

Rich 1T-MoS₂?Nanoflowers Decorated on Reduced Graphene Oxide Nanosheet for Ultra-Quick Zn²⁺?Storage

Fei Long, Junjie Shi, Qixiang Zhang, Zunyu Liu, Yixin Hou, Ke Mao, Dr. Nishuang Liu, Prof. Luying Li, Prof. Fei Long*, Prof. Yihua Gao*

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200110

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