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(guān)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(dǎo)電性差、鋅離子在其中的擴(kuò)散動力學(xué)行為緩慢等問題。盡管正極材料MoS2的開放式層狀結(jié)構(gòu)有利于鋅離子的插入，但差的導(dǎo)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(gòu)建合適的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠緩解以上問題。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)生電場可以作為電荷轉(zhuǎn)移力，有效促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移。金屬性質(zhì)的1T-MoS2具有大的層間距和高的導(dǎo)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(tuán)豐富、層間距可調(diào)、電子導(dǎo)通能力強(qiáng)而在電池領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因而構(gòu)建1T-MoS2/Ti3C2MXene的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望提高整體的導(dǎo)電性和改良MoS2的惰性基面，從而在水系鋅離子電池中實(shí)現(xiàn)更高效的充放電目標(biāo)。

文 章 簡 介

基于此，華中科技大學(xué)高義華教授和桂林理工大學(xué)龍飛教授合作在國際知名權(quán)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(shè)計(jì)了一種新型的1T-MoS2/Ti3C2MXene充放電網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大層間距后的1T-MoS2和高導(dǎo)電性的Ti3C2MXene之間形成了牢固耦合的化學(xué)鍵，因而1T-MoS2/Ti3C2MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)電性和環(huán)境穩(wěn)定性。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，1T-MoS2/Ti3C2MXene的放電容量在0.10 A g?1時達(dá)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(luò)中的高效協(xié)同作用。另外，采用1T-MoS2/Ti3C2MXene構(gòu)建的柔性可穿戴準(zhǔn)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(xué)性能。

圖1. 1T-MoS2/Ti3C2MXene 三維充放電網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：采用一步水熱法合成了MoS2/Ti3C2MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)。形貌觀察表明，MoS2原位均勻生長并牢固耦合在Ti3C2MXene上。Ti3C2MXene誘導(dǎo)和優(yōu)化了MoS2的晶格生長，MoS2的層間距也得到了擴(kuò)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(diǎn)二：對MoS2/Ti3C2MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和原始MoS2電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了測試。對比發(fā)現(xiàn)，1T-MoS2/Ti3C2MXene具有較高的導(dǎo)電性和鋅離子擴(kuò)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(xué)性能。 要點(diǎn)三：系統(tǒng)的非原位測試表征揭示了1T-MoS2/Ti3C2MXene的儲能機(jī)理。綜合分析XRD、XPS、SEM、TEM的測試結(jié)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(jī)理。 要點(diǎn)四：構(gòu)建了柔性可穿戴準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池并測試了其電化學(xué)性能。采用鋅箔負(fù)極，1T-MoS2/Ti3C2MXene正極，PVA/Zn(CF3SO3)2水凝膠電解質(zhì)構(gòu)建了可穿戴的準(zhǔn)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(xué)表現(xiàn)，在柔性和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

圖5. 柔性可穿戴準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的展示。

總 結(jié)

本文通過在Ti3C2MXene上原位生長和耦合1T-MoS2，構(gòu)建了具有高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的三維互連充放電網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。1T-MoS2/Ti3C2MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究表明，異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過降低電荷轉(zhuǎn)移電阻和提高離子擴(kuò)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(qiáng)耦合微觀結(jié)構(gòu)及它們在三維互連網(wǎng)絡(luò)中的高效協(xié)同效應(yīng)。系統(tǒng)的非原位測試表征表明，1T-MoS2/Ti3C2MXene的儲能機(jī)制涉及鋅離子的插層和MoS2的可逆相變。 最后，采用1T-MoS2/Ti3C2MXene構(gòu)建的可穿戴準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池即使在嚴(yán)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(yīng)用前景。這項(xiàng)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