近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料與器件研究部研究員趙邦傳課題組，在MoS2鋰/鈉離子電池電極材料性能調(diào)控研究方面取得新進展，科研人員對材料的形貌進行優(yōu)化設(shè)計，制備出一種高性能的紗球狀MoS2電極材料，相關(guān)研究成果以Yarn ball-like MoS2 nanospheres coated by nitrogen-doped carbon for enhanced lithium and sodium storage performance為題，發(fā)表在Journal of Power Sources上。

目前，商用鋰離子電池負(fù)極材料石墨和鈦酸鋰都存在理論比容量低、倍率性能差等缺點，無法滿足人們對高能量/功率密度鋰離子電池器件的需求，石墨電極在使用時存在由于放電電壓過低導(dǎo)致的安全性問題。此外，用作鈉離子電池負(fù)極材料時，石墨電極很難與Na+形成穩(wěn)定的化合物，比容量低。因此，尋找既能作為鋰離子電池負(fù)極又能用作鈉離子電池負(fù)極的材料，具有重要意義。過渡金屬二硫族化合物大多具有二維類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)和較大的層間距，有利于Li+和Na+離子在其中的傳輸。以MoS2為例，其層間距為6.15埃，當(dāng)作為鋰電或鈉電負(fù)極時，其理論比容量高達(dá)670 mAh g-1，在鋰電和鈉電領(lǐng)域都具有較大的應(yīng)用潛力。然而，由于其導(dǎo)電性差且離子嵌入/脫出時體積變化較為嚴(yán)重，影響其電化學(xué)性能，限制其實際應(yīng)用。

為此，科研人員采用過程簡單、成本低廉、環(huán)境友好的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）輔助水熱法，制備出一種氮摻雜碳包覆的紗球狀MoS2納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料MoS2-PVP@NC，該材料用作鈉離子電池負(fù)極時，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在1 A g-1的電流密度下經(jīng)過200次循環(huán)后的比容量為410.2 mAh g-1，在10 A g-1大電流密度下比容量為352.1 mAh g-1。此外，MoS2-PVP@NC也顯示出優(yōu)異的鋰電性能，在1 A g-1電流密度下經(jīng)過300次循環(huán)后其比容量高達(dá)607.1 mAh g-1，在10 A g-1大電流密度下的比容量仍能保持在356.0 mAh g-1。研究發(fā)現(xiàn)，材料的優(yōu)異性能主要來源于其紗球狀結(jié)構(gòu)和氮摻雜碳包覆層間的協(xié)同作用，紗球狀納米結(jié)構(gòu)可增強材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而氮摻雜碳包覆層可進一步改善材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，因而MoS2-PVP@NC復(fù)合材料能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的鋰/鈉存儲性能。

研究工作受到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項目的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320305851

圖1.MoS2-PVP@NC復(fù)合材料的合成示意圖

圖2.MoS2-PVP@NC復(fù)合材料的鋰電性能

圖3.MoS2-PVP@NC復(fù)合材料的鈉電性能