鋰電池負(fù)極材料輩出 石墨被MoS2“完虐”

    鋰電世界  石墨類材料（例如人造石墨，天然石墨，中間相碳微球等）容量已經(jīng)接近其理論極限（372mAh/g），隨著人們對鋰離子電池能量密度要求的不斷提高，石墨負(fù)極被淘汰的命運已經(jīng)無法避免，先是硅基負(fù)極，錫基負(fù)極的崛起，現(xiàn)在又蹦出一個MoS2，石墨材料被輪番吊打，MoS2相比于硅負(fù)極，錫負(fù)極，只是一個小輩，但是說起吊打石墨可一點不比前輩們差，三個字形容“穩(wěn)、準(zhǔn)、狠”，招招擊中要害，今天我們就聊聊MoS2。

    與石墨相比，MoS2具有更高的比容量，納米結(jié)構(gòu)的MoS2的可逆容量甚至可以達到1290mAh/g，與Si負(fù)極和錫基負(fù)極相比，具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電的能力，是一種十分具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。MoS2是一種過渡金屬硫化物，具有非常典型的S-Mo-S三明治結(jié)構(gòu)，即兩個硫?qū)訆A一個Mo金屬層。在層內(nèi)原子之間靠強的共價鍵連接在一起，而在層之間則靠相對較弱的范德華力相互連接，這種結(jié)構(gòu)使得鋰離子可以快速的嵌入和脫出。MoS2的工作電壓范圍為0-3.0V，首次充放電時，在1.1V左右會出現(xiàn)一個明顯的放電平臺，在此時晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。在3.0-1.1V的范圍內(nèi)，鋰離子可以可逆的嵌入到MoS2晶體內(nèi)部，這一部分的容量相當(dāng)于167mAh/g，當(dāng)鋰離子繼續(xù)嵌入時，材料的電壓會進一步下降到1.1V以下，此時MoS2晶體會發(fā)生一系列的相變，在0.6V左右，還會出現(xiàn)一個電壓平臺，關(guān)于這個平臺所對應(yīng)的反應(yīng)，目前大家還有爭論。

     MoS2是一種理想的負(fù)極材料，但是在充放電過程中的體積膨脹會影響MoS2的循環(huán)性能，同時由于較低的離子擴散速率和電子電導(dǎo)率，使得材料的倍率性能也較差，這影響了材料快速充放電的能力。為了克服這些缺點，將MoS2與石墨材料進行結(jié)合是一種可行的方法。例如Jiang等將單層的MoS2納米片與介孔碳材料結(jié)合，這種材料不僅有著良好的儲鋰特性，而且在3℃的低溫和50℃的高溫，都表現(xiàn)出了良好的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。Jie Shao等，成功的將MoS2與氮摻雜石墨材料（MNCDs）進行了結(jié)合，制備了高性能MoS2與MNCDs復(fù)合材料具有優(yōu)異的倍率性能，在10A/g的電流密度下（相當(dāng)于10C左右），復(fù)合材料的比容量仍然高達915mAh/g。

    制備的過程分為兩步，首先是合成氮摻雜石墨材料（MNCDs），然后在制備好的MNCDs上生長MoS2。其中MNCDs制備是利用了共沉淀法與高溫分解相結(jié)合的方法，首先將Zn(CH3COO)2與2-甲基咪唑分別溶解于甲醇溶液中，利用共沉淀法制得前驅(qū)體，并在高溫下，進行裂解反應(yīng)制得MNCDs。 MoS2的生長過程是在MNCDs漿料中，(NH4)2MoS4與N2H4·H2O反應(yīng)，MNCDs巨大的表面積為MoS2提供了眾多的生長點。然后在 Ar氣氛下進行燒結(jié)，制得MoS2和MNCDs的復(fù)合材料。

    在50mA/g的電流密度下，MoS2和MNCDs的復(fù)合材料的初始容量達到1121mAh/g，首次效率為69%，第三次循環(huán)容量達到1099mAh/g，庫倫效率達到96%。MoS2和MNCDs的復(fù)合材料的實際容量要高于其理論容量（669mAh/g），目前認(rèn)為，這主要是因為鋰儲存在Mo和 Li2S界面。材料具有良好的倍率性能，當(dāng)電流密度為100，1000，2000，5000，10000mAh/g，材料的比容量分別達到了1070，1039，1028，1004，915 mAh/g，倍率從0.1C提高到10C材料的容量只有很少的下降。并且在首100次循環(huán)過程中，材料的容量逐漸提高，這可能與氮摻雜多孔石墨有關(guān)，氮摻雜石墨在材料中起到兩個作用，首先能起到儲存鋰的作用，其次則起到了電子導(dǎo)體的作用，因此使得MoS2和MNCDs的復(fù)合材料具有優(yōu)異的快速充放電性能。 MoS2和MNCDs的復(fù)合材料是一種優(yōu)異的鋰離子電池負(fù)極材料，鑒于其獨特的電化學(xué)性能，相信該材料還能應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如超級電容，鈉離子電池和催化劑等領(lǐng)域。