澳大利亚昆士兰大学赵修松教授Adv.Energy Mater. :扩层MoS2/石墨烯电极材料在Mg2+/Li+混合电池中的应用


【引言】

由于锂离子电池枝晶生长引起的安全问题,以及其取代物(石墨)较低容量性能,多价态离子电池已经持续引起人们的关注。高价态金属,如Mg,Al可直接作为电极用以解决目前锂电池所面临的困境。其中Mg电极展示了极高的可逆容量和近乎100%的库伦效率。除此之外,Mg2+电池因为不生成枝晶其安全性较锂电池大大提升。更重要的一点,由于Mg2+由于其正二价,在充放电中能够转移更多的电子,其容量比石墨基底的锂电池更高。

【成果简介】

 Mg2+/Li+混合电池是一种具有应用前景的能源器件,它结合了Mg2+和Li+两种离子各自的电化学的优势。近日,来自澳大利亚昆士兰大学赵修松教授和Nanjundan Ashok Kumar(共同通讯)在Adv.Energy Mater.上发文,题名“A Hybrid Mg2+/Li+ Battery Based on Interlayer-Expanded MoS2/Graphene Cathode”。文中介绍了MoS2—石墨烯作为Mg2+/Li+混合电池的电极材料。该种电池的优势就是同时利用Mg2+和Li+进行插层。该电池在电流密度为20 mA g1时容量可达到300 mA h g1,能量密度高度316.9 W h kg1与锂电池相当,并且还不会形成枝晶。该种新型电极材料为以后制备一种安全,高能量密度电池提供了新的思路。

【图文导读】

 1 MoS2-石墨烯泡沫制备示意图

图中所示MoS2-石墨烯泡沫制备过程。该过程采用水热法制备得到MoS2-石墨烯复合物。

2 石墨烯泡沫生长MoS2之前和之后的SEM

图a. 石墨烯泡沫反应之前图像

图b. MoS2生长在石墨烯泡沫图像。

图c. MoS2-石墨烯泡沫放大图像。

3 块状MoS2,石墨烯泡沫,MoS2-石墨烯泡沫的结构表征

图a. 块状MoS2,石墨烯泡沫,MoS2-石墨烯泡沫的XRD。

图b. 三种材料的拉曼图谱。

4 块状MoS2,石墨烯泡沫,MoS2-石墨烯泡沫的高倍TEM以及分子模型

图a, a’. 块状MoS2不同倍数的TEM。

图b, b’. 石墨烯泡沫不同倍数的TEM

图c, c’. MoS2-石墨烯泡沫不同倍数的TEM。

5 不同正极材料在Mg2+Mg2+/Li+电池中的电化学性能图

图a. 不同正极材料在Mg2+电池中的性能。

图b. 不同正极材料在Mg2+/Li+电池中的性能。图中测试的电流均为20 mA g1,且电压窗口均为0.01至2.0 V

6. 块状MoS2MoS2-石墨烯泡沫复合物在不同电池中的性能

图a, c. 块状MoS2分别在Mg2+电池和Mg2+/Li+电池中的循环伏安图。

图b, d. MoS2-石墨烯泡沫复合物分别在Mg2+电池和Mg2+/Li+电池中的循环伏安图。

上图所有扫速均为0.2 mv/s

7 块状MoS2MoS2-石墨烯泡沫复合物的XPS

图a, c. Mo的3d图谱。

图b, d. S的2p图谱。

8 MoS2-石墨烯泡沫电极材料在Mg2+/Li+电池中的倍率性能图

图a. MoS2-石墨烯泡沫在Mg2+电池中的倍率性能。

图b. 对比于已报道文献的倍率性能。

图c. 电流密度为500 mA g−1的循环稳定性。

图d. 在500 mA g−1下第2圈和第500圈的充放电曲线。

9 循环以后的TEM

图a. MoS2-石墨烯泡沫循环10圈后的TEM图。

图b. MoS2-石墨烯泡沫循环50圈后的TEM图。

10 阻抗图

【小结】

 这项工作介绍了一种双离子电池,其中Mg作为负极,MoS2作为正极,用双盐电解液作为电池的电解液。在该种电池中Mg2+和Li+对电性能均有贡献。在电流密度为20 mA g−1时,容量可达300 mA h g−1,此外以500 mA g−1的电流进行循环200圈稳定性可达81%。该种电池在未来具有实际应用价值。

文献链接A Hybrid Mg2+/Li+ Battery Based on Interlayer-Expanded MoS2/Graphene Cathode (Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700317)

本文由材料人编辑部新人组吴淏供稿,黄超审核,点我加入材料人编辑部

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