Hierarchische poröse MoS2/C-Nanosphären, selbstorganisiert durch Nanoblätter mit hoher elektrochemischer Energiespeicherleistung

Hintergrund

Der Schutz unseres nachhaltigen Planeten bei gleichzeitiger Entwicklung und Nutzung von Energie ist zu einem wichtigen globalen Thema geworden. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) haben in den letzten Jahrzehnten die Vorteile hoher Energiedichte, langer Lebensdauer und Umweltverträglichkeit hervorgehoben, die große Anwendungen in erneuerbaren Energiespeichern, elektronischen Geräten und Energiefahrzeugen finden [1, 2]. Dennoch weisen kommerzielle Graphitanoden eine niedrige theoretische spezifische Kapazität von 372 mAh g ⁻¹ . auf [3,4,5], was weit von den ständig wachsenden Anforderungen an wiederaufladbare Batterien mit hoher Energiedichte entfernt ist. Daher ist es von großer Bedeutung, wünschenswerte Elektrodenmaterialien für LIBs zu entwickeln.

Vor kurzem wurden die Übergangsmetallsulfide (Co₃ S₄ [6], SnS₂ [7], VS₂ [8], NbS₂ [9], WS₂ [10] und MoS₂ [11]) wurden aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer hohen Energiedichte und ihrer reichhaltigen Redox-Elektrochemie als eine Reihe potenzieller Anodenmaterialien angesehen [12, 13]. Unter diesen Materialien ist Molybdändisulfid (MoS₂ ), ein Halbleiter mit einer typischen zweidimensionalen (2D) Schichtstruktur, ist das am besten untersuchte Material dieser Familie. Noch wichtiger ist, dass der größere Zwischenschichtabstand (d = 0,62 nm) von MoS₂ als Graphit (d = 0,34 nm) kann den Prozess von Li ⁺ . beschleunigen Interkalation/Extraktion mit hoher Speicherkapazität von 670 mAh g ⁻¹ [14,15,16]. Leider ist die praktische Anwendung von bloßem MoS₂ B. LIBs wird durch die schlechte Zyklenstabilität behindert. Dies liegt daran, dass die relativ niedrigen elektronischen/ionischen Leitfähigkeiten und der elektrochemische Abbau des aktiven MoS₂ Materialien aufgrund eines Polysulfid-Shuttle-Effekts führen zu einem Kapazitätsverlust und einer schlechten Geschwindigkeitsfähigkeit [4, 17, 18]. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat es sich als besonders effektiv erwiesen, indem verschiedene nanostrukturierte MoS₂ . entwickelt wurden und Einbringen der leitfähigen kohlenstoffhaltigen Materialien [15, 19, 20, 21]. Ersteres zielt darauf ab, die elektronische Übertragungsdistanz zu verkürzen, während letzteres darauf abzielt, die gesamte elektronische Leitfähigkeit des Materials zu verbessern und die Agglomeration von MoS₂ . einzudämmen und Aufrechterhaltung der Elektrodenstrukturstabilität, zum Beispiel MoS₂ /Graphen [22, 23], MoS₂ /CNTs [24], MoS₂ /Kohlenstoff-Nanofasern [25], MoS₂ /RGO [26] usw.

Basierend auf den obigen Überlegungen konzentrieren sich neuere Forschungen hauptsächlich auf die Konstruktion neuartiger MoS₂ /C-basierte Nanokomposite, die ihre jeweiligen Vorteile zur Verbesserung der Zyklenfestigkeit voll ausspielen. Liet al. berichtete über ein neuartiges 2D-MoS₂ /C-Hybrid-Nanoblatt-Überstruktur, bestehend aus dem alternativen schichtweise überlappten einschichtigen MoS₂ und mesoporöser Kohlenstoff [4]. Die einzigartigen Hybrid-Nanoblätter mit perfektem MoS₂ /m-C-Schnittstellenkontakt führt zur Maximierung der synergistischen Interaktion. Ihre Gruppe projizierte auch 3D-geordnetes makroporöses MoS₂ /flexible Kohlenstoffelektroden durch Zusammenbau von MoS₂ /C-Nanostruktur auf Kohlenstoffgewebe mit wenig geschichtetem MoS₂ Nanoblätter, die durch die Verwendung von Polystyrol (PS)-Nanokügelchen als Makroporentemplat homogen in die verbundene Kohlenstoffwand eingebettet sind [17]. Die flexiblen Elektroden zeigten eine überlegene Zyklenstabilität, wenn sie direkt für LIBs verwendet wurden. Zhanget al. erreichte das Wachstum von MoS₂ Nanoblätter auf das Polypyrrol-derived Carbon Nanotubes (PCN)-Substrat und die Beschichtung der äußeren Kohlenstoffschicht auf die Nanoblätter zur Herstellung von PCN@MoS₂ @Carbon-Sandwich-Architektur [27]. In der Architektur ultradünnes MoS₂ Nanoblätter sind zwischen hohlem PCN und dünner Kohlenstoffschicht eingebettet. Sonneet al. erfolgreich vorbereitet 1T-MoS₂ /C-Hybride, die aus kleinerem MoS mit weniger Schichten bestehen₂ Nanoblätter über eine einfache hydrothermale Methode mit einem geeigneten Glukoseadditiv [28]. Das 1T-MoS₂ /C-Anoden bieten eine überragende Zyklenstabilität (erhalten 870 mAh g ⁻¹ nach 300 Zyklen bei 1 A g ⁻¹ ) und hohe Leistung (eine reversible Kapazität von 600 mAh g ⁻¹ bei 10 A g ⁻¹ ). Die überlegene elektrochemische Leistung kann auf die höhere intrinsische Leitfähigkeit von 1T-MoS₂ . zurückgeführt werden und dünne Kohlenstoffschichten, die auf der Oberfläche mit einem vergrößerten Zwischenschichtabstand von 0,94 nm bedeckt sind. Aus den obigen Gründen ist das modifizierte MoS₂ /C-basierte Nanokomposite können tatsächlich die elektrochemischen Eigenschaften optimieren.

Hier zeigen wir eine einfache, einfach zu handhabende und hocheffektive hydrothermale Methode zum hierarchischen MoS₂ /Kohlenstoff-Nanokugeln. Die Nanokugeln sind aus ultradünnem MoS₂ . selbstorganisiert /C-Nanoblätter, die mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet sind, was zur Bildung interner miteinander verbundener Kanäle führt und mehr aktive Zentren für die elektronische/ionische Übertragung und die Lithiumspeicherung freilegt. Als Konsequenz wird die offene poröse Struktur von MoS₂ ., wenn sie als Anodenmaterial in Halbzellen-LIBs verwendet wird, /C-Nanosphären weisen bemerkenswerte Lithiumspeichereigenschaften auf, einschließlich hoher spezifischer Kapazität, langer Zyklenleistung sowie schneller Geschwindigkeit.

Methoden

Materialvorbereitung

Synthese von MoS₂ /C

Die Synthese von MoS₂ /C-Nanosphären basierte auf einem früheren Verfahren mit Modifikationen [19]. Normalerweise 0,6 g Natriummolybdat (Na₂ MoO₄ ), 3 g Thioharnstoff (CH₄ .) N₂ S) und 1 g Polyvinylpyrrolidon (PVP) wurden in 30 ml entionisiertem Wasser unter magnetischem Rühren gelöst, um eine einheitliche Lösung zu bilden. Dann fügten wir 0,2 g Dopaminhydrochlorid (DPH) in die obige Mischung unter Bildung einer roten Suspension hinzu. Nach kontinuierlichem Rühren für 30 Minuten wurde die resultierende Suspension in einen mit Teflon ausgekleideten 50-ml-Edelstahlautoklaven gegeben, der 18 h bei 200 °C gehalten wurde, gefolgt von einem natürlichen Abkühlen auf Raumtemperatur. Die schwarzen Niederschläge wurden gesammelt und mit entionisiertem Wasser und absolutem Ethanol durch Zentrifugationsverfahren gewaschen und unter Vakuum bei 60 °C über Nacht getrocknet. Schließlich MoS₂ /C-Nanosphären wurden durch Kalzinieren von schwarzen Niederschlägen in Argonatmosphäre bei 700 °C für 3 h erhalten. Zum Vergleich haben wir kommerzielles reines MoS₂ . gekauft Pulver von Aladdin.

Materialcharakterisierung

Die Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden unter Verwendung eines TD-3500-Röntgendiffraktometers mit Cu/Ka-Strahlung (λ = 0,15406 nm) am 2θ Bereich von 5°–80° mit einer Abtastrate von 4° min ⁻¹ . N₂ Adsorptions-/Desorptionsisothermen und Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Oberfläche wurden mit einem Micromeritics ASAP 2020-Analysator durchgeführt. Die Raman-Spektren wurden auf einem LabRAM HR800 Raman-Spektrometer getestet, das mit einem Laserlicht bei 532 nm ausgestattet war. Der Kohlenstoffgehalt im MoS₂ /C-Nanosphären wurde mit einem simultanen DSC/TGA-Analysator (TGA, SDT-Q600) bei einer Heizrate von 10 °C min ⁻¹ . bestimmt von 25 bis 700 °C mit Luftstrom. Die Elementzusammensetzung und der chemische Zustand der Materialien wurden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, Thermo VG ESCALAB 250XI) bewertet. Die detaillierte Morphologie und Mikrostruktur der Proben wurden mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Sigma 500) bzw. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, Tecnai G2 F20) untersucht.

Elektrochemische Tests

Die Kapazitäten und Zykleneigenschaften der so hergestellten Proben wurden mit CR2032-Knopfzellen gemessen, die in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox mit Lithiumfolie als Gegenelektrode und einer mikroporösen Celgard 2400-Polypropylenfolie als Separator montiert waren. Die Arbeitselektroden wurden durch Einmischen von N . erhalten -Methyl-2-pyrrolidinon (NMP)-Lösung, die Wirkstoffe (MoS₂ /C oder MoS₂ ) mit leitfähigem Additiv (Acetylenruß) und Polymerbindemittel (PVDF) in einem Massenverhältnis von 8:1:1 zu einer homogenen Aufschlämmung. Wir haben die Aufschlämmung auf eine Kupferfolie aufgetragen und in einem Vakuumofen bei 80 °C 4 h lang getrocknet. Anschließend wurden die Elektroden in runde Scheiben gestanzt und im Vakuumofen bei 120 °C für 12 h getrocknet. 1 Mio. LiPF₆ Als Elektrolyt wurde gelöst in Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Volumenverhältnis 1:1 gewählt. Die elektrochemische Leistung wurde mit einem Batterietestsystem (Neware BTS-610) in einem Grenzspannungsfenster von 0,01–3 V bei verschiedenen Stromdichten implementiert. Zyklische Voltammetrie (CV)-Kurven wurden auf einer elektrochemischen Workstation (CHI 760E) zwischen 0,01 und 3 V bei einer Abtastrate von 0,2 mV s ⁻¹ . erstellt .

Ergebnisse und Diskussion

Das Herstellungsverfahrensdiagramm von hierarchischem porösem MoS₂ /C-Nanosphären ist in Abb. 1 dargestellt. Na₂ MoO₄ liefert Molybdänion, CH₄ N₂ S liefert eine Schwefelquelle und DPH ist eine Kohlenstoffquelle. Polydopamin-Kohlenstoffmaterialien haben eine bessere elektrochemische Leistung und eine bessere Leitfähigkeit. PVP wirkt als Dispergiermittel und Stabilisator. Im hydrothermalen Prozess adsorbiert Tensid PVP bevorzugt entlang von MoS₂ Nanokorngrenze, die MoS₂ . verursacht anisotropes Wachstum der Kristallkeime und Bildung von MoS₂ Nanoblätter. Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche und der hohen Oberflächenenergie von MoS₂ Nanoblatt/Kohlenstoff-Vorstufe, MoS₂ Nanoblätter sind selbstorganisiert zu Nanokugeln. Schließlich MoS₂ /C-Nanosphären werden durch Kalzinieren in einer inerten Atmosphäre hergestellt.

Das Herstellungsverfahrensdiagramm von hierarchischem porösem MoS₂ /C-Nanosphären

Abbildung 2a zeigt die XRD-Muster von kommerziellem MoS₂ und MoS₂ /C-Nanokugeln. Die Muster von kommerziellem MoS₂ entsprechen der Standardkarte aus hexagonalem 2H-MoS₂ (JCPDS 87-2416). Die Beugungspeaks bei etwa 2θ = 32,8° und 58,5° können auf (100) und (110) Ebenen von MoS₂ . indiziert werden in beiden kommerziellen MoS₂ und wie zubereitetes MoS₂ /C [19, 29]. Zusätzlich kann die Bildung einer neuen Struktur durch die zwei neuen Peaks in MoS₂ . nachgewiesen werden /C bei etwa 2θ = 7,9° und 18,3°, die auf ausgedehnte (001)- und (002)-Kristallebene weisen [27]. Der erweiterte d-Abstand wird auch durch HRTEM-Beobachtungsergebnisse bestätigt (Abb. 2g). Die obige Analyse zeigt, dass wir MoS₂ . erfolgreich synthetisiert haben /C und die Beteiligung von DPH trugen zum erweiterten Zwischenschichtabstand bei. Wie in Abb. 1b gezeigt, basierend auf N₂ Adsorptions-/Desorptionsisothermenanalyse, BET-Oberfläche von MoS₂ /C wurde mit 16,59 m ² . ermittelt g ⁻¹ . Die mit der BJH-Gleichung [2] berechnete Porengrößenverteilung (Einschub von Abb. 2b) zeigt eine mehrskalige poröse Struktur mit einer durchschnittlichen Porengröße von 20,66 nm. Eine solche hierarchische poröse Struktur erleichtert den engen Kontakt zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten und den schnellen Elektronen- und Ionentransport, wodurch die Lithiumspeicherleistung weiter verbessert wird. Wie in Abb. 2c gezeigt, Raman-Spektrum von MoS₂ /C bestätigt die Existenz und das Ausmaß der Graphitisierung von Kohlenstoff. Zwei typische Peaks, zentriert bei 384 und 407 cm ⁻¹ sind verbunden mit E ₁ ^2g und A _1g Schwingungsmodi von MoS₂ [17, 29, 30]. Zwei weitere charakteristische Peaks bei 1373 cm ⁻¹ (D-Band) und 1605 cm ⁻¹ (G-Band) kann direkt zur Kohlenstoffphase sein [15, 21, 31]. Im Detail kann die D-Bande aufgrund des sp . mit dem defekten Kohlenstoff oder dem ungeordneten amorphen Kohlenstoff in Verbindung gebracht werden ³ -Hybridisierung auf der graphitischen Ebene, während die G-Bande kristallinem graphitisiertem Kohlenstoff zugeschrieben wird [19, 32]. Das Intensitätsverhältnis von D-Band zu G-Band wird mit 0,85 berechnet, was auf einen relativ hohen Graphitisierungsgrad von Kohlenstoff hinweist. TGA-Messungen in Abb. 2d ermitteln im Nachhinein den Kohlenstoffgehalt in MoS₂ /C-Verbundstoffe. Der Gewichtsverlust von 4,2 % vor 100 °C entspricht der Verdampfung von adsorbiertem, freiem Wasser in den Proben, und 37,54 % Gewichtsverlust zeigt die Oxidation von MoS₂ zu MoO₃ an der Luft [14, 15]. Daher die Gewichtsprozentsätze von adsorbiertem Wasser, MoS₂ und Kohlenstoff werden mit 4,2, 64,78 bzw. 31,02 Gew.-% bestimmt.

a XRD-Muster von kommerziellem MoS₂ und MoS₂ /C-Nanokugeln; b N₂ Adsorptions-/Desorptionsisothermen und Porengrößenverteilung von MoS₂ /C-Nanokugeln; c die Raman-Spektren von MoS₂ /C-Nanokugeln; d TGA-Kurve von MoS₂ /C-Nanosphären

XPS wurde untersucht, um die Elementzusammensetzung und die Valenzzustände von MoS₂ . zu bewerten /C in Abb. 3a–d. Wie in Abb. 3a gezeigt, können die Hauptelemente von Mo, S, C und O aus dem Vermessungsmuster identifiziert werden; O stammt aus der Sauerstoffadsorption an der Oberfläche. Abbildung 3b zeigt das hochauflösende Spektrum von Mo 3d . . Zwei Hauptpeaks, die bei 229,8 und 233,1 eV zentriert sind, werden Mo 3d . zugeschrieben _5/2 und Mo 3d _3/2 von Mo ⁴⁺ in MoS₂ /C [19, 29]. Ein weiterer breiter Peak bei 227,0 eV ist im Allgemeinen mit S 2s . verbunden . Und der Rest des Peaks bei 236,3 eV kann auf Mo ⁶⁺ . indexiert werden zeigt die Bildung einer C-O-Mo-Bindung zwischen MoS₂ und Kohlenstoff, was mit anderen MoS₂ . übereinstimmt /C-Komposite [27, 30, 33]. Ein Paar charakteristischer Peaks von S kann deutlich bei 162,5 und 163,7 eV in Abb. 3c beobachtet werden, entsprechend S 2p _3/2 und S2p _1/2 von S ²⁻ in MoS₂ [5, 21]. Das entfaltete XPS-Spektrum von C 1s ist in Fig. 3d gezeigt; die Signale können an drei Peaks angepasst werden:Die bei 284,7 eV zentrierten Hauptpeaks entsprechen C–C, während die beiden Peaks bei 285,6 und 288,9 eV C–O bzw. O–C=O zugeordnet werden können [14, 29, 34, 35].

XPS-Spektren von MoS₂ /C-Nanosphären:a Umfrage, b Mo 3d , c S 2p , d C 1s

Wie in Abb. 4 dargestellt, zeigten FESEM- und TEM-Bilder die Morphologie und Struktur von MoS₂ . /C. Die repräsentativen FESEM- und TEM-Bilder von MoS₂ /C sind in Abb. 4a–f dargestellt und zeigen eine poröse Nanokugelstruktur, die aus ultradünnem MoS₂ . aufgebaut ist /C-Nanoblätter mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 130–200 nm. Die Elementarkartierungsanalyse des FESEM-Distrikts (Abb. 4c) bestätigt die Existenz von Mo-, S-, C-Elementen und eine gleichmäßige Verteilung in den Kompositen. Darüber hinaus sind die Nanoblätter mit einer dünnen Kohlenstoffschicht bedeckt und berühren sich in engem Kontakt miteinander, um eine Nanokugel in Abb. 4e, f zu bilden. Eine solche offenporige Struktur ist für den elektronischen Kontakt und den schnellen Elektronentransfer während Entlade-/Ladeprozessen günstig. Abbildung 4g zeigt ein HRTEM-Bild von MoS₂ /C. Das ausgewählte Flächenelektronenbeugungsmuster (SAED) indiziert einen Beugungsring auf die polykristalline Natur des MoS₂ (Einschub in Abb. 4g).

a , b FESEM-Bilder; c Bilder der Elementarkartierung des FESEM-Distrikts; d –f TEM-Bilder; g HRTEM-Bilder und der Einschub des entsprechenden SAED-Musters von MoS₂ /C-Nanosphären

Das so erhaltene MoS₂ /C-Verbundstoffe enthalten 31,02 Gew.-% Kohlenstoff; zum Vergleich fügen wir dem handelsüblichen MoS₂ . den gleichen Gehalt an leitfähigem Aktivkohlepulver hinzu als aktives Material, und mischen Sie es dann mit PVDF und Acetylenruß, um die Elektroden zu gewinnen. Die beiden Proben wurden als Anoden von CR2032-Knopfzellen zusammengebaut, um ihren elektrochemischen Mechanismus und ihre Leistung zu bewerten. Die ersten drei CV-Kurven des MoS₂ /C-Elektrode wurden über das Potenzialfenster von 0,01 bis 3,0 V mit einer Abtastrate von 0,2 mV s ^–1 . durchgeführt . Wie aus Abb. 5a ersichtlich, werden im ersten kathodischen Durchlauf drei Reduktionspeaks von 1,22 bis 0,1 V beobachtet. Ein breiter Reduktionspeak bei 0,73–1,22 V entspricht der Insertion von Li ⁺ in das MoS₂ /C- und Lithiierungsprozesse von MoS₂ um Li_x . zu bilden MoS₂ [16, 36]. Weitere zwei Reduktionspeaks, die bei 0,58 V und 0,1 V zentriert sind, können der Bildung des Festelektrolyt-Zwischenphasen(SEI)-Films und der Reduktion von Li_{x . zugeschrieben werden} MoS₂ zu Mo [14, 15, 25] bzw. Beim ersten anodischen Sweep werden nur zwei bemerkenswerte Peaks bei 1,53 und 2,22 V beobachtet, die der Oxidation von Mo zu MoS₂ . zugeordnet werden Phasen- und Delithiierungsprozesse von Li₂ S bis S [5, 21, 37]. In den folgenden Durchläufen verschwindet der Reduktionspeak (0,58 V) und die anderen beiden Peaks verschieben sich auf 1,17 V und 1,90 V, was auf einen Multilithiationsprozess von MoS₂ . hinweist . Bemerkenswerterweise bedeuten die überlappten Kurven im zweiten/dritten Durchlauf die hohe Reversibilität und die große Zyklenstabilität des MoS₂ . wie hergestellt /C in LIBs. Die galvanostatischen Lade-Entlade-Kurven von MoS₂ /C werden zwischen 0,01 und 3,0 V bei einer Stromdichte von 0,1 A g ⁻¹ . geleitet in Abb. 5b. Die entstandenen Lade-/Entladespannungsplattformen stimmen mit den CV-Ergebnissen überein. Das MoS₂ /C-Elektroden liefern eine Entladungskapazität von bis zu 1307,77 mAh g ⁻¹ und Ladekapazität von 865,54 mAh g ⁻¹ mit einer anfänglichen Coulomb-Effizienz (CE) von 66,18%. Darüber hinaus stammen die unerwünschten CE- und Kapazitätsverluste von ca. 33% wahrscheinlich aus der irreversiblen Zersetzung des Elektrolyten und der Bildung von SEI-Filmen auf der Elektrodenoberfläche [5, 14]. Die zweiten und dritten Lade-/Entladespannungsprofile wiederholen sich; spezifische Kapazitäten sind 845,58/879,20 mAh g ⁻¹ und 836.13/810.92 mAh g ⁻¹ , bzw. Dieser verbesserte CE zeigt die elektrochemische Reversibilität von MoS₂ /C Anode ist gut.

a CV-Kurven bei Abtastrate 0,2 mV s ⁻¹ zwischen 0 und 3 V und b Entlade-/Ladeprofile bei einer Stromdichte von 0,1 A g ⁻¹ von MoS₂ /C-Nanokugeln; c die Radfahrleistung von MoS₂ und MoS₂ /C-Nanosphären bei einer Stromdichte von 0,1 A g ⁻¹ für 100 Zyklen; d Ratenleistung von zwei Proben bei verschiedenen Stromraten im Bereich von 0,1 bis 2 A g ⁻¹ ; e Langzeitzyklusleistung von zwei Proben bei einer Stromdichte von 1 A g ⁻¹ für 500 Zyklen

Abbildung 5c vergleicht die Radfahrleistungen des MoS₂ /C und kommerzielles MoS₂ Anoden unter der Stromdichte von 0,1 A g ⁻¹ für 100 Zyklen. Kommerzielles MoS₂ bietet spezifische Lade-/Entladekapazitäten von 671,70/952,52 mAh g ⁻¹ , das weit vom MoS₂ . entfernt ist /C-Verbundstoffe (865,54/1307,77 mAh g ⁻¹ ). Dies liegt daran, dass in MoS₂ . Kohlenstoff vorhanden ist /C verbessern die Leitfähigkeit und die Oberflächen-/Grenzflächenspeicherung von Li, die aus der porösen Nanokugelstruktur und der reversiblen Bildung/Zersetzung von polymerem gelartigem Film (SEI) stammt [38]. Nach 100 Zyklen ist das MoS₂ /C und MoS₂ Anoden zeigen entladungsspezifische Kapazitäten von 587,18 und 350 mAh g ⁻¹ mit hohem CE von ca. 99%. Die Ratenfähigkeit von zwei Proben wurde auch bei unterschiedlichen Stromdichten im Bereich von 0,1 bis 2 A g ⁻¹ . bewertet in Abb. 5d. Das MoS₂ /C behält hohe Entladekapazitäten bei höheren Stromdichten:878 mAh g ⁻¹ bei 0,1 A g ⁻¹ , 806 mAh g ⁻¹ bei 0,2 A g ⁻¹ , 733 mAh g ⁻¹ bei 0,5 A g ⁻¹ , 673 mAh g ⁻¹ bei 1 A g ⁻¹ , 633 mAh g ⁻¹ bei 1,5 A g ⁻¹ und 612 mAh g ⁻¹ bei 2 A g ⁻¹ nach 10 Zyklen. Bei Neubewertung bei einer Stromdichte von 0,1 A g ⁻¹ , erreicht die Entladekapazität schnell 754 mAh g ⁻¹ und bleibt 876 mAh g ⁻¹ nach 40 Zyklen, was fast dem des ersten 10. Zyklus entspricht, was auf die hervorragende Geschwindigkeitsleistung und strukturelle Stabilität von MoS₂ . hindeutet /C. Wie bei MoS₂ , die Entladekapazitäten von 0,1 A g ⁻¹ bis 2 A g ⁻¹ nach 10 Zyklen sind 320 und 55 mAh g ⁻¹ mit enormem Kapazitätsverlust ca. 83%. Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Leitfähigkeit von kommerziellem MoS₂ durch die Zugabe von Aktivkohle keine wesentliche Verbesserung, wodurch der Effekt des schnellen Ladens und Entladens nicht erreicht wird. Dies liegt daran, dass ein einfaches physikalisches Mischen die elektrische Leitfähigkeit von kommerziellem MoS₂ . nicht effektiv verbessern kann , kann jedoch das ideale Ziel durch eine Kohlenstoffbeschichtung wie das erhaltene MoS₂ . erreichen /C.

Die langfristige Zyklenleistung von zwei Proben ist in Abb. 5e bei einer großen Stromdichte von 1,0 A g ^–1 . gezeigt . Um Elektroden zu aktivieren, werden die Zellen bei einer geringen Stromdichte von 0,05 A g ⁻¹ . getestet für die ersten beiden Zyklen. Das MoS₂ /C weist hohe Entladekapazitäten von 515, 443 und 439 mAh g ⁻¹ . auf bei 1,0 A g ⁻¹ für den 100., 300. bzw. 500. Zyklus. Verglichen mit dem zuvor gemeldeten MoS₂ Anodenmaterialien aus Tabelle 1 zeigt, dass hierarchisches poröses MoS₂ /C-Nanosphären haben eine bessere elektrochemische Leistung und werden ein großes Potenzial aufweisen, Graphitanodenmaterialien zu ersetzen. Es ist erwähnenswert, dass die Kapazitätskurve von MoS₂ /C als Ganzes ist relativ stabil ohne einen besonders offensichtlichen Rückgang, außer in den ersten paar Zyklen, was eine hervorragende langfristige Zyklenstabilität zeigt. Allerdings ist der MoS₂ Anoden leiden unter enormen Kapazitätsverlusten bei niedrigen Entladekapazitäten von 114, 109 und 138 mAh g ⁻¹ in den gleichen Zyklen. Dadurch wird MoS₂ /C weist immer noch bessere elektrochemische Eigenschaften auf als kommerzielles MoS₂ , obwohl Aktivkohle mit dem gleichen relativen Gewichtsverhältnis in MoS₂ . eingeführt wird Elektrode. Dies kann auf die folgenden Vorteile zurückgeführt werden. I. MoS₂ /C-Komposite besitzen eine offene poröse Architektur, bei der die Nanokugeln durch ultradünnes MoS₂ . selbstorganisiert werden /C-Nanoblätter, die mit einer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet sind, die den engen Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt sowie den schnellen Elektronen- und Ionentransport erleichtern. Unterdessen ist eine offenporige Architektur vorteilhaft, um interne miteinander verbundene Kanäle zu bilden und eine erhöhte Anzahl von aktiven Zentren für die elektronische/ionische Übertragung und die Lithiumspeicherung freizulegen. II. Die dünne Kohlenstoffschicht, die durch die Karbonisierung von DPH entsteht, kann nicht nur als stabile Stützmatrix wirken, um die Aggregation von MoS₂ . zu verhindern Nanoblätter, sondern verbessern auch die Gesamtleitfähigkeit des Materials. III. Der erweiterte Schichtabstand von MoS₂ in MoS₂ /C kann den Ionendiffusionswiderstand verringern und die Volumenausdehnung während Entlade-/Ladezyklen abschwächen.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit haben wir hierarchisches poröses MoS₂ . hergestellt /Kohlenstoff-Nanokügelchen selbstorganisiert durch ultradünnes MoS₂ /C-Nanoblätter durch ein einfaches hydrothermales Verfahren, gefolgt von Tempern. Das MoS₂ . profitiert vom rationalen Strukturdesign /C bietet schnelle Kanäle für den Ionen-/Elektronentransport und behält die hohe Stabilität und Leitfähigkeit der gesamten Elektrode bei der Lithiumspeicherung bei. Darüber hinaus ist die Interkalation von C in den Zwischenschichtabstand von MoS₂ kann die Volumenausdehnung aufnehmen, um die Integrität der Elektrode sicherzustellen und die elektronische Leitfähigkeit zu verbessern. Das so hergestellte MoS₂ /C-Anode erreicht hohe spezifische Kapazität (1307,77 mAh g ⁻¹ bei 0,1 A g ⁻¹ ), ausgezeichnete lange Zyklenleistung (439 mAh g ⁻¹ bei 1,0 A g ⁻¹ für 500 Zyklen) und Hochgeschwindigkeits-Fähigkeit (612 mAh g ⁻¹ bei 2 A g ⁻¹ ).

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

LIBs:

Lithium-Ionen-Akkus

2D:

Zweidimensional

PCN:

Von Polypyrrol abgeleitete Kohlenstoff-Nanoröhrchen

PS:

Polystyrol

DPH:

Dopaminhydrochlorid

XRD:

Röntgenbeugung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

WET:

Brunauer–Emmett–Teller

BJH:

Barrett–Joyner–Halenda

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

DMC:

Diethylcarbonat

EC:

Ethylencarbonat

PVDF:

Polyvinylidenfluorid