近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員趙邦傳課題組在MoS2鋰離子電池(LIBs)電極材料研究方面取得系列進展，相關研究結果分別發表在ChemElectroChem，Nanoscale，Small 上。

可充電鋰離子電池在電動汽車、便攜式電子產品、儲能電網等領域有著重要應用而受到廣泛關注。然而，當前商用石墨負極材料由于理論比容量(372 mAh/g) 較低，無法滿足人們對電池能量和功率密度的需求、倍率性能較差，不能很好地匹配正極材料以獲得最佳的電化學性能。此外，石墨極低的工作電壓使LIBs工作時存在較大的安全隱患。因此，探索高安全性、高比容量、高倍率性能以及高循環性能的負極材料是當前LIBs研究領域的一個熱點。

與石墨相比，具有二維/準二維晶體結構的材料由于具有相對安全的工作電壓，較大的比表面積、較為豐富的活性位點以及快速的離子/電子轉移能力，可被應用于鋰離子電池負極材料。作為二維材料的典型代表，MoS2具有類石墨烯層狀結構和高理論比容量(669 mAh/g)。然而，MoS2作為LIBs負極材料時存在如因材料導電性不好引起的倍率性能不佳、循環過程中因體積變化大引起穩定性能差等不足。為解決上述問題，課題組對MoS2電極材料開展了改性研究，獲得了具有較優越電化學性能的MoS2電極材料。

課題組針對MoS2電極材料導電性較差的問題，利用具有較高導電性的金屬Co單質和MoS2復合，有效改善了材料的導電性能，提高了材料的電化學性能，MoS2/Co復合材料電極即使在2 A/g的電流密度下其容量仍能保持在700 mAh/g以上，相關結果發表在ChemElectroChem 上。為進一步提高電極的循環穩定性，采用V4C3MXene (邁科烯)和MoS2進行復合，并結合碳包覆工藝制備了V4C3-MXene/MoS2/C復合材料，由于V4C3-MXene可有效增強材料的導電性和電極結構的穩定性，碳包覆可進一步穩定材料的結構并增大材料的比表面積，從而顯著改善了電極材料的電化學性能，V4C3-MXene/MoS2/C電極在1 A/g電流密度下經450次循環后其容量可達到600 mAh/g左右，即使在10 A/g的電流密度情況下，容量仍能保持在500 mAh/g左右，相關結果發表在Nanoscale上。和上述2H相MoS2相比，1T相MoS2在導電性和層間距上具有優勢，但目前1T相MoS2的制備過程復雜，且制備獲得的1T相MoS2也不穩定。研究人員采用葡萄糖輔助水熱法合成了具有少層結構的1T相MoS2與碳復合的1T-MoS2/C材料，該MoS2復合材料在1A/g電流密度下初始比容量為920.6 mAh/g，經300次循環容量為870mAh/g，在10A/g大電流密度下比容量仍能保持在600 mAh/左右，表現出較為優異的循環和倍率性能，相關結果發表在Small上。

上述工作得到國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金委大科學裝置聯合基金項目的支持。


圖1. MoS2/Co復合材料的循環和倍率性能。


圖2. V4C3-MXene/MoS2/C復合材料的結構示意圖和倍率性能。


圖3. 1T-MoS2/C復合材料的合成過程、反應機制示意圖及倍率性能。