吉大李楠团队Nanoscale丨揭示金属相MoS2的多层结构和锂离子电池循环稳定性间的关系

01 导读
近年来，一些基于1T-MoS₂的锂离子电池的报道称其具有显著的锂离子存储性能。尤其是在高电流密度下，1T-MoS₂基阳极通常也能实现稳定的循环稳定性。这种稳定性通常归因于整个体系结构中便利的电子转移。然而，如果1T-MoS₂也经历了类似于2H-MoS₂的结构退化，电导率的增强并不足以解释其优异的循环稳定性。相反，1T-MoS₂稳健循环稳定性起源的独特机制有待进一步探索

02 成果掠影
近日，吉林大学李楠教授团队通过构建简化的1T-MoS₂/Ti体系研究锂离子（Li⁺）的存储机理。通过分析1T-MoS₂/Ti和2H-MoS₂/Ti在循环过程中结构演变和电化学性能的差异，揭示高循环稳定性的来源。结合理论和实验研究，证明了循环稳定性与纳米片层数显著相关。多层1T-MoS₂通过可逆形成三元化合物，有利于容纳Li⁺。因此，大量的MoS₂晶体纳米畴被保留下来，对可溶性硫化锂物种提供锚定效应，从而增强1T-MoS₂阳极的循环稳定性。该论文以“Unveiling the relationship between the multilayer structure of metallic MoS₂ and the cycling performance for lithium ion batteries”为题发表在期刊Nanoscale上。
 

03 核心创新点
1. 提出了一种层数相关的循环稳定性机制。多层1T-MoS₂通过可逆形成三元化合物，有利于容纳Li⁺。
2. 多层的1T-MoS₂可以吸附多硫化物物种，抑制“穿梭效应”，从而增强1T-MoS₂阳极的循环稳定性。

04 数据概览

 
图1 1T-MoS₂/Ti的(a)SEM照片；(b)TEM 照片；(c)高分辨TEM 照片；(d)图(c)中所选区域的放大视图；(e) HADDF-STEM照片；(f) Raman光谱和(g) 1T-MoS₂/Ti和2H-MoS₂/Ti的Mo 3d XPS光谱。

 
图2 1T-MoS₂/Ti和2H-MoS₂/Ti的电化学性能。(a)电流密度为100 mA g⁻¹的(a)2H-MoS₂/Ti和(b) 1T-MoS₂/Ti的循环稳定性和库伦效率；(c) 2H-MoS₂/Ti和(d) 1T-MoS₂/Ti在0.2 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。 

 
图3 S循环后电极的结构表征。(a) 2H-MoS₂/Ti和(b) 1T-MoS₂/Ti放电后的TEM照片；(c)对应的Mo 3d XPS光谱；(d) 1T-MoS₂放电5次循环后的HRTEM图像；(e) 图(d)所选区域的放大视图;和(f)在(e)中所选区域的格距。

 
图4 (a, b)多硫化锂(Li₂S₄和Li₂S₆)在1T-MoS₂吸附位点上的吸附能；(c-f)不同层数锂化金属MoS₂的热力学相图。

05 成果启示
在这项工作中，我们构建了1T-MoS₂/Ti以研究1T-MoS₂作为锂离子电池阳极的优越循环稳定性。结合实验和计算分析，我们提出了一种层数相关的循环稳定性机制。多层结构的1T-MoS₂允许在Li+插层形成Li-Mo-S三元化合物。这种形成过程是可逆的，并产生了大量的MoS₂纳米晶畴作为残留物。在随后的充放电循环中，这些MoS₂纳米晶畴能够很好地保留，并作为锚定物附着多硫化物物种，抑制穿梭效应，从而实现较为稳定的循环性能。这项工作为开发高性能的锂电池1T-MoS₂基阳极奠定了基础。

06 文献链接
Zhipeng Liu, Kaiwen Wang, Guoqing Huang, Shuyi Yu, Xiaotian Li, Nan Li and Kaifeng Yu, Unveiling the relationship between the multilayer structure of metallic MoS₂ and the cycling performance for lithium ion batteries. Nanoscale, 2022.
https://doi.org/10.1039/D2NR00967F

本文由作者供稿。