構建超穩(wěn)定、超快的1T-MoS2/Ti3C2 MXene三維充放電網(wǎng)絡異質結構用于高性能水系鋅離子電池正極

研 究 背 景

可充電水系鋅離子電池因其低成本、高理論容量、高安全性等優(yōu)勢而引起了廣泛關注。其中正極材料在整個電池體系中發(fā)揮著重要的作用。然而，目前的大多數(shù)正極材料都存在著導電性差、鋅離子在其中的擴散動力學行為緩慢等問題。盡管正極材料MoS2的開放式層狀結構有利于鋅離子的插入，但差的導電性和不活躍的基面依然限制了其在水系鋅離子電池中的發(fā)展。 構建合適的導電網(wǎng)絡異質結構能夠緩解以上問題。這是因為異質結構的內生電場可以作為電荷轉移力，有效促進電子的轉移。金屬性質的1T-MoS2具有大的層間距和高的導電性，是水系鋅離子電池正極材料的理想候選者。此外，新興的Ti3C2MXene自問世以來一直因其表面官能團豐富、層間距可調、電子導通能力強而在電池領域有著廣泛的應用。因而構建1T-MoS2/Ti3C2MXene的異質結構有望提高整體的導電性和改良MoS2的惰性基面，從而在水系鋅離子電池中實現(xiàn)更高效的充放電目標。

文 章 簡 介

基于此，華中科技大學高義華教授和桂林理工大學龍飛教授合作在國際知名權威期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Ultrastable and ultrafast 3D charge-discharge network of robust chemically coupled 1T-MoS2/Ti3C2MXene heterostructure for aqueous Zn-ion batteries”的研究文章。 該工作設計了一種新型的1T-MoS2/Ti3C2MXene充放電網(wǎng)絡異質結構。研究發(fā)現(xiàn)，擴大層間距后的1T-MoS2和高導電性的Ti3C2MXene之間形成了牢固耦合的化學鍵，因而1T-MoS2/Ti3C2MXene異質結構具有良好的導電性和環(huán)境穩(wěn)定性。電化學測試結果顯示，1T-MoS2/Ti3C2MXene的放電容量在0.10 A g?1時達到了284.3 mAh g?1且在10.00 A g?1時為105.2 mAh g?1，且保持高的倍率性能。 電池在經(jīng)過3000次循環(huán)后容量保留率為93.2%，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。高倍率性能來源于Ti3C2MXene的快速電子和離子傳輸能力。長期循環(huán)穩(wěn)定性得益于1T-MoS2和Ti3C2MXene在三維互連網(wǎng)絡中的高效協(xié)同作用。另外，采用1T-MoS2/Ti3C2MXene構建的柔性可穿戴準固態(tài)鋅離子電池在不同彎曲條件下也表現(xiàn)出穩(wěn)定的電化學性能。

圖1. 1T-MoS2/Ti3C2MXene 三維充放電網(wǎng)絡異質結構示意圖。

本 文 要 點

要點一：采用一步水熱法合成了MoS2/Ti3C2MXene異質結構。形貌觀察表明，MoS2原位均勻生長并牢固耦合在Ti3C2MXene上。Ti3C2MXene誘導和優(yōu)化了MoS2的晶格生長，MoS2的層間距也得到了擴展。

圖2. 2H-MoS2(a, b, c, d)、1T-MoS2(e, f, g, h)、2H-MoS2/Ti3C2MXene (i, j, k, l)、1T-MoS2/Ti3C2MXene (m, n, o, p) 的微觀形貌。 要點二：對MoS2/Ti3C2MXene異質結構和原始MoS2電極的電化學性能進行了測試。對比發(fā)現(xiàn)，1T-MoS2/Ti3C2MXene具有較高的導電性和鋅離子擴散系數(shù)，因而在水系鋅離子電池中顯示出了較高的倍率性能和突出的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖3. 2H-MoS2、1T-MoS2、2H-MoS2/Ti3C2MXene、1T-MoS2/Ti3C2MXene的電化學性能。 要點三：系統(tǒng)的非原位測試表征揭示了1T-MoS2/Ti3C2MXene的儲能機理。綜合分析XRD、XPS、SEM、TEM的測試結果后發(fā)現(xiàn)，1T-MoS2/Ti3C2MXene的儲能來源于充放電過程中，鋅離子在MoS2層間的可逆嵌入及脫出并伴隨著2H-MoS2和1T-MoS2之間的可逆相變。

圖4. 1T-MoS2/Ti3C2MXene正極的儲能機理。 要點四：構建了柔性可穿戴準固態(tài)鋅離子電池并測試了其電化學性能。采用鋅箔負極，1T-MoS2/Ti3C2MXene正極，PVA/Zn(CF3SO3)2水凝膠電解質構建了可穿戴的準固態(tài)鋅離子電池。該電池即使發(fā)生彎曲后或穿戴在手腕上時，也有著穩(wěn)定的電化學表現(xiàn)，在柔性和可穿戴電子設備領域展現(xiàn)出良好的應用前景。

圖5. 柔性可穿戴準固態(tài)鋅離子電池的展示。

總 結

本文通過在Ti3C2MXene上原位生長和耦合1T-MoS2，構建了具有高導電性和穩(wěn)定性的三維互連充放電網(wǎng)絡異質結構。1T-MoS2/Ti3C2MXene異質結構在作為水系鋅離子電池的正極材料時，表現(xiàn)出高的倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。 綜合電化學反應動力學研究表明，異質結構通過降低電荷轉移電阻和提高離子擴散率有效地提高了速率能力。突出的循環(huán)穩(wěn)定性來自于1T-MoS2和Ti3C2MXene的強耦合微觀結構及它們在三維互連網(wǎng)絡中的高效協(xié)同效應。系統(tǒng)的非原位測試表征表明，1T-MoS2/Ti3C2MXene的儲能機制涉及鋅離子的插層和MoS2的可逆相變。 最后，采用1T-MoS2/Ti3C2MXene構建的可穿戴準固態(tài)鋅離子電池即使在嚴重彎曲狀態(tài)下也能輸出穩(wěn)定且可觀的容量，顯示出良好的應用前景。這項工作有望為二維材料作為鋅離子電池的高性能正極提供新的思路。

審核編輯 ：李倩