北京科技大学Ping Li课题组--具有较大层间距、强亲水性的MoS2/石墨烯的三明治型异质结构用于水性锌离子电池的高性能正极
层状材料具有良好的2D-Zn2+传输通道，作为水性锌离子电池（AZIBs）的阴极具有很大的潜力，但其容量低或循环稳定性差，限制了其实际应用。本文创新性地将两种经典的层状材料通过石墨烯嵌入MoS2廊道结合起来，使得MoS2夹层显著增大（从0.62 nm到1.16 nm），亲水性增强。三明治结构的MoS2/石墨烯纳米片自组装成花朵状结构，有利于锌离子扩散，促进电解质渗透，并确保高结构稳定性。因此，这种新型的MoS2/石墨烯纳米复合材料具有优异的高倍率性能（0.05 A g−1时为285.4 mA h g−1，5 A g−1时为141.6 mA h g−1）和长期循环稳定性（1800次循环后容量保持率为88.2%）。电化学测量和密度泛函理论计算证实了Zn2+的迁移动力学和理想的伪电容行为。通过非现场研究阐明了锌离子插入/萃取后2H‐MoS2和1T‐MoS2之间高度可逆相变的储能机制。作为理论证明，采用MoS2/石墨烯阴极的柔性准固态锌离子电池在不同的弯曲条件下表现出很好的稳定性。本研究为二维材料作为高性能叠氮基正极的设计和开发提供了一个新的方向。
Figure 1. a) MoS2/石墨烯纳米复合材料的合成示意图。MoS2和MoS2/石墨烯的b) XRD谱图和c)晶体结构。d) MoS2, MoS2/石墨烯和GO的拉曼光谱。e) MoS2/石墨烯的SEM图。f-h) MoS2和(g h) MoS2/石墨烯的HRTEM图。i) MoS2/石墨烯的SEM元素映射。
Figure 2. MoS2/石墨烯正极a)在0.1 mV s-1下的CV曲线，b)在0.2 ~ 1.5 V电压范围内的充放电曲线。c)不同石墨烯含量的MoS2/石墨烯复合物的循环性能。d) MoS2/石墨烯倍率性能和e) MoS2/石墨烯在1 A g-1的长期循环稳定性。
Figure 3. MoS2/石墨烯电极过程动力学研究。
Figure 4. MoS2/石墨烯的储锌机理。
Figure 5. a-d) MoS2和MoS2/石墨烯的锌离子迁移路径。e,f) 迁移能垒。g) MoS2和MoS2/石墨烯的状态密度。
Figure 6. a)柔性准固态锌离子电池组成图。b)锌对称电池的镀锌/剥离行为。c) PVA/Zn(CF3SO3)2水凝胶电解质的LSV曲线和交流阻抗谱。e)准固态MoS2/石墨烯/锌电池弯曲状态下的典型电压曲线。f)为LED供电的软包装电池照片。
相关研究成果于2021年由北京科技大学Ping Li课题组，发表在Adv. Mater. ( DOI: 10.1002/adma.202007480)上。原文：Sandwich-Like Heterostructures of MoS2/Graphene with Enlarged Interlayer Spacing and Enhanced Hydrophilicity as High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries。