北京大学工学院材料科学与工程系郭少军

tuxiayu

Small Methods: 多级TiO2/C-MoS2纳米复合结构材料及在长循环寿命钠离子和锂硫电池中的应用

长寿命和高能量密度电池对于未来大规模新能源的开发和利用至关重要。其中，钠离子电池凭借其原料成本低和分布广泛等优势，成为下一代电池材料的研究热点。虽然石墨作为锂离子电池负极材料被广泛应用，但其作为钠离子电池负极时的可逆容量较差。因此，具有长寿命的电极材料（如二氧化钛）以及具有高容量的电极材料（如过渡金属氧化物、硫化物等）研究备受关注。目前研究发现，通过构筑多级复合结构材料，发挥材料间的协同作用可以有效提高钠离子电池负极材料的电化学性能。

图1: TiO2/C-MoS2复合材料的合成示意图及电镜表征

近日，北京大学工学院郭少军团队在钠离子电池材料研究方面取得进展。该工作通过在钛酸纳米线上包覆二维钼基金属螯合物。随后，通过高温固相原位硫化的方法，构筑TiO2/C-MoS2复合材料。通过原位硫化的方法，在碳纳米片外延生长得到超薄MoS2纳米片，形成特殊的“片上生长片”的多级复合结构（图1: TiO2/C-MoS2复合材料的合成示意图及电镜表征）。这种特殊的多级纳米片结构和材料组合在钠离子电池及隔膜改性的锂硫电池方面表现出优异的性能。其中，最内层一维TiO2纳米线在电化学反应过程中晶体体积变化小，提供稳定的结构支撑基底；中间原位碳化得到的二维碳纳米片层可提高材料的导电性和稳定MoS2纳米片结构；外层垂直生长的MoS2纳米片可大幅提高电极的可逆容量。研究结果表明，得益于三种不同功能材料的协同作用，该复合结构在钠离子电池中具有优异的倍率性能和循环寿命：在8 A g-1的充放电电流密度下，进行长达15000次充/放电循环后，其容量依旧高达169 mAh g-1 ，如右上图所示，(a) 在电流密度为0.1 mV s-1下，复合材料钠离子电池的前三圈的CV曲线图; (b) 不同电极材料的倍率性能比较; (c) 在电流密度为8000 mA g-1下，复合材料钠离子电池的循环性能图。此外，由于该多级复合结构具有较强的多硫化物的化学吸附作用，将其作为多功能隔膜组件可有效缓解锂硫电池的“穿梭效应”。通过简单的涂覆工艺，可得到基于商业聚丙烯隔膜改性的功能化隔膜（TiO2/C-MoS2@PP）。如下图所示，在1.0 C的电流密度下，1500次循环后仍保留有501 mAh g-1。该工作对新一代长寿命、高容量电极材料的设计提供了新的思路和研究方向。研究成果近期以Rational Design of Hierarchical TiO2/Epitaxially Aligned MoS2–Carbon Coupled Interface Nanosheets Core/Shell Architecture for Ultrastable Sodium-Ion and Lithium–Sulfur Batteries为标题发表在国际权威学术期刊《Small Methods》上（doi.org/10.1002/smtd.201800119）。