MoS2/Acetylene Black Composite mit wenigen Schichten als effizientes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien

Hintergrund

Lithium-Ionen-Batterien (LiB) sind eine der wichtigsten wiederaufladbaren Energiespeichertechnologien, die in einer Vielzahl von tragbaren elektronischen Geräten wie Laptops und Mobiltelefonen verwendet werden. Im gegenwärtigen Szenario zunehmender Umweltverschmutzung und Erschöpfung fossiler Brennstoffe sind die Aussichten in der Forschungsgemeinschaft für strombetriebene Elektrofahrzeuge (EVs) mit LiB gestiegen. Die Leistung der EVs hängt stark von der Leistung der LiBs in Bezug auf Kapazität und Zyklizität ab. Graphit, ein weit verbreitetes Anodenmaterial für kommerzielle LiBs [1], bot viele Verbesserungen im Vergleich zu älteren kohlenstoffhaltigen und reinen Li-Anodenmaterialien. Aber die begrenzte theoretische Kapazität von Graphit (372 mAhg ⁻¹ ) bittet um Ersatz, um die Kapazität der LiB zu erhöhen. Es wurde ziemlich viel geforscht, was die Verbesserung von Anodenmaterialien betrifft, um eine hohe spezifische Kapazität und Zyklisierbarkeit zu erreichen. Nach der Aufnahme des Supermaterials „Graphen“ in LiBs wurde eine doppelt so hohe Kapazität wie bei Graphit festgestellt [2, 3]. Auf der Suche nach anderen Alternativen ist MoS₂ hat sich als vielversprechender Kandidat mit hoher Kapazität, einfacher Herstellung und Expansion in geringem Umfang erwiesen [4]. MoS₂ Es wurde festgestellt, dass es an einer Vier-Elektronen-Transfer-Reaktion beteiligt ist, während es Li-Ionen beherbergt, was eine Kapazität von bis zu 669 mAhg ⁻¹ . ermöglicht . Obwohl der Großteil von MoS₂ bietet nicht viele aufregende elektrochemische Eigenschaften für die Li-Speicherung, die nanostrukturierten Gegenstücke desselben bieten aufregendere Eigenschaften, wodurch das große wachsende Interesse geweckt wird. Obwohl es nur wenige nanostrukturierte Materialien wie Kohlenstoff, Silizium [5], Zinn [6] und Zinndioxid [7] gibt, ist MoS₂ übertrifft diese in Bezug auf Tarifkapazität und Kapazitätserhalt sowie Wirtschaftlichkeit. Trotz verschiedener herausragender Merkmale ist MoS₂ als solches kann aufgrund seiner geringen intrinsischen elektronischen Leitfähigkeit und der großen Ausdehnung und Kontraktion nach der Lithiierung und Delithiierung nicht als kommerzielles anodisches Material in LiBs verwendet werden, was zu Pulverisierung und Verlust des elektrischen Kontakts führt [8,9,10]. Diese wiederum führen zu einer schlechten Zyklisierbarkeit und Dynamik von MoS₂ Lithiumspeicherung. Es wurden verschiedene Strategien erarbeitet, um diese Nachteile zu beseitigen. Sie sind MoS₂ Nanostrukturen mit unterschiedlichen Morphologien, MoS₂ /leitende Polymerhybride [1, 11] und MoS₂ /Kohlenstoff-Nano-Komposite [12,13,14]. Vor kurzem MoS₂ /Kohlenstoff-Materialien erwiesen sich aufgrund ihrer Kapazitäten von bis zu [15, 16] von 1000 bis 1100 mAhg ⁻¹ . als attraktiv . Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung neuartiger, mehrschichtiger MoS₂ /AB-Verbundmaterial mit einem bekannten, aber vernachlässigten Ruß, Acetylenruß, als leitfähigem Substrat. Neben einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis zeigt es interessanterweise eine sehr gute Wechselwirkung mit den Elektrolyten [17]. Es ist auch für seine Bindefähigkeit bekannt und wird bei der Herstellung guter Tinten verwendet, um Kohlenstoffelektroden herzustellen, die eine Bindefähigkeit zusammen mit einer guten elektronischen Leitfähigkeit bereitstellen. Die Studie zeigt nicht nur, dass AB ein gut leitendes Substrat ist, sondern auch ein besseres Nukleationsmaterial für die Herstellung von hochkristallinem, mehrschichtigem MoS₂ . Die systematische Charakterisierung und Anwendung des Materials als Anode in LiB führte zu ~ 1813 mAhg ⁻¹ . Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal ein mehrschichtiges MoS₂ /AB-Verbundstoff wurde als Anodenmaterial verwendet, um eine hohe spezifische Kapazität zu erreichen.

Methoden

Synthese

Das mehrschichtige MoS₂ /AB-Komposit wurde unter Verwendung eines einfachen hydrothermalen Eintopfverfahrens hergestellt. Darin 1 mmol Na₂ MoO₄ 2H₂ O und 5 mmol Thioharnstoff wurden in 60 ml Wasser gelöst, dem 100 mg AB zugesetzt wurden. Diese Lösung wurde 30 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, um eine homogene Lösung zu erhalten, die 24 Stunden lang in einem Autoklaven bei 210 °C gehalten wurde. Das resultierende Material wurde abfiltriert, gründlich mit Wasser gewaschen und 12 h bei 100 °C unter Vakuum getrocknet. Im Allgemeinen wird zusammen mit dem aktiven Material ein leitender Kohlenstoff (Acetylenruß) zusammen mit einem Polymerbindemittel wie Polyvinylidenfluorid verwendet, um eine Tinte herzustellen. In der vorliegenden Studie wird AB als leitendes Substrat und Nukleationssubstrat verwendet, um mehrschichtiges MoS₂ . zu züchten . Somit wird die Verwendung der zusätzlichen 10 % des leitenden Kohlenstoffs bei der Tintenherstellungsmethode weggelassen. Kurz gesagt, MoS₂ /AB-Verbundstoff wurde zusammen mit 10 Gew.-% PVDF in einen Becher gegeben, zu diesem Isopropylalkohol, und eine NMP-Mischung wurde zum Dispergieren unter Verwendung von Ultraschall zugegeben. Auf diese Weise wurde eine gleichförmig dispergierte Aufschlämmung hergestellt und dann über eine Cu-Folie sprühbeschichtet. Die Elektrode wurde über Nacht bei 120 °C unter Vakuum getrocknet, um Spuren der verwendeten Lösungsmittel zu entfernen. Die Elektrode bestand aus 0,728 mg/cm ² aus aktivem Material.

Materialcharakterisierungen

Das Beugungsmuster des Materials wurde durch eine Pulver-Röntgenbeugungstechnik (Smart Lab X-Ray Diffractometer, Rigaku) ​​mit Cu Kα-Strahlung (λ = 0,154 nm, über den 2θ-Bereich von 10°–70° mit einer Schrittweite .) charakterisiert von 0,005°). Die Elementaranalyse des Materials wurde unter Verwendung der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-(XPS)-Technik untersucht, die auf einem S-Probe™ 2803-Instrument durchgeführt wurde. Die morphologische Charakterisierung erfolgte mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) am Modell Hitachi H-7650. Eine TEM-Probe wurde hergestellt, indem eine methanolische Lösung, die einen gut dispergierten Verbundstoff enthielt, auf ein kohlenstoffbeschichtetes Kupfergitter getropft wurde.

Ergebnisse und Diskussion

Das Beugungsmuster des so hergestellten Materials ist in Fig. 1a gezeigt. Der schwache und verbreiterte Peak bei 25° bis 28° ist dem Kohlenstoff (002) zuzuordnen. Alle anderen scharfen und markanten Peaks implizieren die Phasenreinheit und hohe Kristallinität. Diese Peaks stimmen gut mit dem hexagonalen MoS₂ . überein Flugzeuge [2]. Der durchschnittliche c -Stapelhöhe wurde mit der Scherrer-Gleichung berechnet (kλ /β cosθ ) wobei k ist der Formfaktor, λ ist die Röntgenwellenlänge, β ist die volle Breite bei Halbmaxima (FWHM) des (002)-Peaks von MoS₂ , und θ ist die Spitzenposition. Das berechnete c -Stapelhöhe wurde mit 5 nm ermittelt und besteht aus fünf bis sechs Schichten MoS₂ . Elementaranalyse von MoS₂ Die /AB-Zusammensetzung wurde mit XPS durchgeführt. Die Probenahme für XPS erfolgte durch Tropfengießen des Materials auf Cu-Folie. Das XPS-Spektrum (Abb. 1b) zeigte das Vorhandensein von Mo, S, C und einer geringen Menge von O. Das Mo:S-Verhältnis bestätigte die Stöchiometrie des Materials in Form von MoS₂ . Die Zusammensetzung bestätigte auch das MoS₂ :AB als 8:2; mit anderen Worten, die AB-Menge im Verbundstoff betrug 20 %. Die Dekonvolution des hochauflösenden Peaks (Abb. 1c) von Molybdän ergab zwei Peaks bei 231,3 und 228,2 eV entsprechend 3d_3/2 bei 3d_1/2 von Mo(IV). Das Fehlen eines anderen 3d-Peaks bestätigt das Fehlen anderer höherer Oxidationsstufen von Mo; mit anderen Worten, die Abwesenheit von Mo-Oxid war offensichtlich. Der Sauerstoffatomanteil im MoS₂ Es wird festgestellt, dass /AB und AB gleich sind. Daher kann dieser Sauerstoff ausschließlich den funktionellen Einheiten von AB zugeschrieben werden, was wiederum die Abwesenheit von Oxidformen von Mo bestätigt. Die Sulfidpeaks bei 161 und 162.1 eV repräsentieren die 3p_1/2 und 3p_3/2 von Sulfid (Abb. 1d). Dies bestätigt das Vorhandensein von reinem MoS₂ im Verbund. Die morphologischen Merkmale des MoS₂ /AB-Verbundstoffe wurden mit TEM untersucht. Abbildung 2a zeigt die stark vernetzte Morphologie von AB, und Abbildung 2b zeigt das fein geschichtete AB und graphenähnliche transparente 2D-Schichten werden an den Rändern freigelegt. TEM-Aufnahmen (Abb. 2c, d) zeigen, dass das MoS₂ /AB ist von geschichteter Natur mit einigen Schichten MoS₂ zusammen mit der vernetzten Natur von AB, die die ganze Zeit als verbindender Faden verläuft. Die Morphologie des MoS₂ Es wurde festgestellt, dass die Schichten eine blütenähnliche Struktur haben, und die Partikelgröße wurde auf etwa 650 nm verteilt auf einem Netzwerk von AB gefunden. Damit ist ganz klar, dass das Seitenverhältnis von MoS₂ bezüglich der Teilchengröße von AB ist sehr hoch, was AB zu einem sehr gut leitenden Linker macht. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des AB macht es zu einem gleichmäßigen leitenden Netzwerk, das über das MoS₂ . verteilt ist Matrix sogar mit nur 20 Gew.-%. Abbildung 2d bestätigt auch die ähnlichen Ergebnisse wie XRD mit fünf bis sechs Schichten von MoS₂ . . Da festgestellt wurde, dass AB viele strukturelle und funktionelle Defekte aufwies, kann erwartet werden, dass die verstärkte Nukleation eine gleichförmige und stärker dispergierte Schichten mit AB bildet, die ein Rückgrat leiten. Das Vorhandensein von AB schränkt auch die wenige Schichtstruktur von MoS₂ . stark ein vom Umstapeln.

(a ) XRD-Beugungsmuster für MoS₂ /AB und Roh-AB. (b ) XPS-Spektrum, das das Vorhandensein von Mo, S, C und O anzeigt. c Hochauflösende Spektren von Mo 3d Peak und d S 2p

TEM-Aufnahmen von a AB zeigt eine zusammenhängende Morphologie. b Hochschichtige Natur von AB. c MoS₂ Nanokristall mit blütenähnlicher Morphologie. d Mehrschichtige und transparente Morphologie von MoS₂ mit Einschub, der eine Nahansicht einiger Schichten von MoS₂ . zeigt im vorbereiteten Verbund

Um die elektrochemische Leistung des mehrschichtigen MoS₂ . zu verstehen /AB-Komposit, insbesondere zur Untersuchung der Wirkung von stark abgeblättertem MoS₂ und AB auf die Kapazität wurden galvanostatische Ladungs-Entladungs-Tests in einem herkömmlichen Knopfzellentyp durchgeführt. Die Halbzelle wurde unter Verwendung von Li-Folie als Kathode und wie vorbereitet MoS₂ . hergestellt /AB-Komposit als Anode, getrennt durch einen Celgard®-Separator, und 0,1 M LiTFSI-Salz in EC:DEC wurde als Elektrolyt verwendet. Die Ladungsentladung erfolgte mit einer Rate von 0,090 mA zwischen 2,10 und 0,03 V. Abbildung 3a zeigt die Ladungsentladungskurven dafür. Bei MoS₂ . wurden die typischen Lade-Entlade-Kurven beobachtet /AB-Verbund. Das Plateau bei etwa 1,0 V vs. Li/Li ⁺ steht für die Insertion von Lithium.

a Lade-Entlade-Kurven für 10 Zyklen (links) und b Coulomb-Effizienz und spezifische Kapazität vs. Zyklenzahl (rechts)

Das untere Plateau tritt bei 0,6 V vs. Li/Li ⁺ . auf kann auf den Umwandlungsreaktionsprozess zurückgeführt werden, der zunächst entweder den reversiblen in-situ-Zerfall von MoS₂ in metallisches Mo eingebettet in ein Li₂ S-Matrix und/oder resultierend in der gelartigen Polymerschicht aus dem elektrolytischen Abbau des Elektrolyten. Diese beiden Potentialplateaus verschwinden nach den ersten paar Zyklen. In der Delithiationskurve ist ein kleines, aber auffälliges Plateau bei etwa 1,7 V zu sehen, das typisch für die hochkristalline Phase von MoS₂ . ist im Verbund. Wie in Abb. 3a gezeigt, ergab der Verbundstoff eine enorm hohe erste Lithiierungskapazität von 4086 mAhg ⁻¹ . , und dann wurde festgestellt, dass die reversible Kapazität etwa 1813 mAhg ⁻¹ . beträgt . Abbildung 3b zeigt die Coulomb-Effizienz und die spezifische Kapazität im Vergleich zur Anzahl der Zyklen. Nach seinem ersten Zyklus ist das MoS₂ Die /AB-Verbundelektrode zeigte ein reversibles Lade-/Entladeverhalten mit einer stabilen Kapazität von etwa 1813 mAhg ⁻¹ mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von> 95%. Die reversible Kapazität des vorliegenden Materials beträgt 523 mAhg ⁻¹ höher als die des bisherigen Meisterschaftsmaterials. Die verbesserten Kapazitäten können auf die folgenden Faktoren zurückgeführt werden:(i) stark abgeblättertes und wenig geschichtetes MoS₂ , (ii) synergistischer Effekt zwischen wenig geschichtetem MoS₂ und geschichtetes AB, (iii) verbesserte Lithiierung und Delithiation aufgrund der Anwesenheit von AB mit hohem Absorptionsvermögen des Elektrolyten und (iv) verbesserte elektronische Leitfähigkeit durch die Einführung von AB.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Forschungsarbeit die Herstellung neuartiger MoS₂ . mit wenigen Schichten umfasst /Acetylenruß-Verbundmaterial in einem sehr einfachen hydrothermalen Verfahren. Ein so hergestelltes Material wurde systematisch charakterisiert, um die Morphologie und die chemische Zusammensetzung zu verstehen. Das Material wurde als Elektrode hergestellt und Ladungs-/Entladungs-Charakterisierungen in einer anodischen LIB-Halbzelle wurden durchgeführt, um das Kapazitätsverhalten derselben aufzuklären. Die Studien wurden in einem konventionellen Knopfzellenaufbau unter Verwendung einer Halbzellenkonfiguration durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sehen das hergestellte Kompositmaterial als vielversprechenden Kandidaten als effizientes Anodenmaterial für LIBs vor. Unseres Wissens nach erreichten die Kapazitäten 1813 mAhg ⁻¹ mit dem Verbund führen das Kontingent aller anderen MoS₂ -Familienbasierte Materialien bis heute.