山大奚寶娟Adv. Energy Mater. : 親硫少層MoSe2納米薄片修飾rGO作為鋰硫電池的硫主體材料

【引言】

目前，鋰硫電池(LSB)仍然存在循環穩定性和倍率性能較差等缺點，源于本身較低的電導率和高體積膨脹效應，阻礙了其商業化進程。另外，由于在充/放電過程中產生的可溶性長鏈多硫化鋰從正極擴散到鋰負極的穿梭效應，降低了庫侖效率，導致活性材料的損失。研究人員已采用不同策略來解決上述問題并改善硫正極的電化學行為。例如，可采用多種碳質基底來支撐硫，如空心碳球(HCS)、中空納米纖維或納米管、氧化石墨烯片和3D分級多孔碳等。上述碳材料可改善正極的導電性且容易擴充容量，但由于多硫化物和非極性碳之間的吸引力弱，難以有效地消除穿梭效應。此外，還應用了金屬氧化物、硫化物、氮化物和極性碳化物來改性碳質基質以加強多硫化鋰的限制。盡管在LSB中已經探索了大量的極性金屬化合物，但很少以金屬硒化物作為硫的主體材料。

【成果簡介】

近日，山東大學奚寶娟副教授(通訊作者)等通過簡便的水熱法合成了親硫少層MoSe₂納米薄片修飾的rGO復合材料(MoSe₂@rGO)，首次作為LSB的新型硫主體材料，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Sulfiphilic Few-Layered MoSe₂ Nanoflakes Decorated rGO as a Highly Efficient Sulfur Host for Lithium-Sulfur Batteries”的研究論文。具體而言，MoSe₂@rGO不僅與多硫化物強烈相互作用，而且還增強多硫化物氧化還原反應動力學，親硫的MoSe₂有效地緩解了極化問題。此外，MoSe₂@rGO有利于Li₂S的快速成核和均勻沉積，有助于高放電容量和良好的循環穩定性。0.1 C時初始容量為1608 mAh·g^-1，0.25 C時每循環的衰減率為0.042 %，0.3 C、面積硫負載量為4.2 mg·cm^-2時可逆容量為870 mAh·g^-1。

【圖文簡介】
圖1 MoSe₂@rGO復合材料的形貌表征

A,B) 不同放大倍數的FESEM圖像；
C,D) 不同放大倍數的TEM圖像；
E) HRTEM圖像；
F) HAADF-STEM圖像；
G,H) HAADF-HRTEM圖像；
I-L) STEM-EDX元素分布。

圖2 MoSe₂@rGO復合材料的結構表征

A) MoSe₂@rGO和rGO的XRD圖譜；
B) MoSe₂@rGO和rGO的N₂吸附等溫線及相應孔徑分布曲線；
C) MoSe₂@rGO的拉曼光譜；
D) MoSe₂@rGO的XPS全譜；
E) MoSe₂@rGO的Mo 3d XPS光譜；
F) MoSe₂@rGO的Se 3d XPS光譜。

圖3 MoSe₂@rGO/S的形貌和結構表征

A) MoSe₂@rGO/S的FESEM圖像；
B) MoSe₂@rGO/S的EBS圖像；
C) 155 ℃處理前后MoSe₂@rGO/S的拉曼光譜；
D-H) MoSe₂@rGO/S的STEM-EDX元素分布；
I) rGO/S的FESEM圖像；
J) rGO/S的EBS圖像；
K) MoSe₂@rGO/S的TGA曲線。

圖4 MoSe₂@rGO電極的電化學性能

A,B) 掃速0.1 mV·s^-1和0.3 mV·s^-1時，MoSe₂@rGO/S和rGO/S電極的峰值電壓；
C,D) MoSe₂@rGO/S電極的電流密度為0.5 C(1 C = 1675 mAh·g^-1)時，不同電流密度下的倍率特性和循環性能，其中硫面載量為1.3-1.6 mg·cm^-2；
E,F) MoSe₂@rGO/S和rGO/S電極在不同掃速下的電壓-容量曲線。

圖5 MoSe₂@rGO電極的循環性能

A) MoSe₂@rGO/S和rGO/S電極在1 C下的循環性能；
B) MoSe₂@rGO/S和rGO/S電極在1 C下的循環性能；
C) MoSe₂@rGO/S電極在0.25 C電流密度下的循環性能。

圖6 MoSe₂@rGO電極的電化學機理探究

A,B) MoSe₂@rGO/S和rGO/S兩種電極在0.1~0.5 mV·s^-1掃速下的CV曲線；
C) Li⁺擴散的反應動力學；
D) 兩種電極的Tafel圖；
E,F) 在MoSe₂@rGO和rGO表面上以2.05 V放電的Li₂S₈/四甘醇二甲醚溶液的計時電流法曲線。

【小結】

綜上所述，作者使用親硫少層MoSe₂納米薄片修飾rGO復合材料(MoSe₂@rGO)作為LSB的硫主體材料。通過系統研究，作者詳細揭示了MoSe₂@rGO作為硫主體材料的優勢。首先， MoSe₂修飾的親硫表面有助于硫和Li₂S的均勻分散，從而降低接觸電阻并加速鋰離子在正極內的擴散。此外，MoSe₂@rGO可與多硫化鋰表面結合，以減少穿梭效應并增強LSB的循環穩定性。同時，MoSe₂可以促進氧化還原反應動力學以及Li₂S的成核過程。上述優勢有助于提高以MoSe₂@rGO/S作為正極的LSB電化學性能。因此，在0.3 C的電流下也測試了具有4.2 mg·cm^-2的較高的面積硫負載的電池，并且在充-放電120次循環之后，放電容量仍然可以保持870 mAh·g^-1。

文獻鏈接：Sulfiphilic Few-Layered MoSe₂ Nanoflakes Decorated rGO as a Highly Efficient Sulfur Host for Lithium-Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901896)

本文由abc940504【肖杰】編譯整理。

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