大连理工大学化工学院邱介山

xihongshi

基于少层MoS2与石墨烯的有机耦合，构筑三明治复合纳米片材料，实现高倍率储钠

随着社会的不断发展，人们对能量的高效存储技术与器件之需求日益增加。目前，锂离子电池凭借稳定的性能和成熟的工艺得到广泛应用；然而，锂资源的匮乏促使人们继续寻求新一代的能量储存材料与技术，其中，钠离子电池因钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等特点，在国内外备受关注，有望替代锂离子电池成为智能电网等大规模储能应用的首选。与锂离子电池相比，钠离子电池的倍率性能和循环性能很不理想，其主要原因是钠离子的离子半径较大，导致缓慢的固态离子扩散和充放电过程中的体积膨胀。新结构高性能电极材料之设计与可控合成，有助于克服这一难题，实现高性能钠离子电池的构筑。

大连理工大学邱介山教授领导的辽宁省“能源材料化工”创新团队与加拿大西安大略大学孙学良教授合作，在前期研究工作的基础上（超细MoO2纳米颗粒镶嵌核壳纳米棒的新结构，Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602880，被选为刊物Frontispiece；超大层间距（1.34 nm）MoS2与碳纤维的复合结构新材料，Nano Energy 2017, 41, 66-74），提出了一个全新的技术策略，基于原位化学作用，利用活性物质精细调控材料的微观结构，构筑具有分级结构的碳基纳米复合材料；通过调控电极材料的本征结构，增加了电极材料的表面/近表面反应的贡献比例，显著提高了钠离子电池的倍率性能。

他们以氧化石墨烯为结构导向剂，利用多巴胺与钼酸铵的络合作用以及多巴胺的原位聚合反应，辅以高温硫蒸气硫化处理，合成出层间距更大的少层MoS2与石墨烯有机耦合的复合纳米片材料（G@MoS2-C）；G@MoS2-C的独特二维片型结构，有利于缩短钠离子的扩散距离；具有扩大层间距的少层MoS2，则有利于提高活性物质的利用率；三明治层间的石墨烯，有利于提高复合材料的导电性。密度泛函理论研究证明，随MoS2层间距的增加，钠离子在其层间的扩散能垒逐步减小，进一步降低了钠离子的扩散阻力。G@MoS2-C的独特结构特征，使其在高的充放电速率下，能够保持高的表面和近表面反应贡献。作为钠离子电池的负极材料，在3 A g-1的电流密度下，循环4500圈后，G@MoS2-C的比容量仍高达253 mA h g-1；在50 A g-1的超高电流密度下，其比容量可达93 mA h g-1。成果发表在Advanced Materials上（2018, 30, 1702486）。这一工作为拓展高倍率钠离子电池电极材料的设计与构筑方法，开辟了新的技术途经。研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基础研究基金的资助支持。