Batteries & Supercaps: 在还原氧化石墨烯纳米片上装饰丰富的1T-MoS2纳米花以实现快速锌离子存储

水系锌离子电池以其低成本和高安全性而在储能领域具有广阔前景。然而，由于锌离子在电极材料的嵌入/脱出过程中扩散动力学缓慢，限制了电池的发展。近期，一种经典的二维（2D）材料二硫化钼（MoS₂）受到了研究者的广泛关注，这是因为MoS₂具有较多的有利于离子扩散的温和2D通道。但是，MoS₂较窄的层间距和较差的导电性导致容量和倍率性能较差，阻碍了其进一步发展。因而，仍需通过合适的结构设计来改善MoS₂的导电性并提高其容量和倍率性能。

近日，由桂林理工大学龙飞教授和华中科技大学的高义华教授课题组合作，通过简单的溶剂热法在还原氧化石墨烯（rGO）上原位生长了1T-MoS₂纳米花，成功构建出MoS₂和rGO的稳固异质结构（MoS₂-rGO），并用于水系锌离子电池。

图1. MoS₂-rGO材料表征

研究人员通过X射线衍射分析、激光拉曼光谱分析、X射线光电子能谱分析、场发射扫描电镜以及透射电镜等表征手段研究了该异质结构的物相组成及微观形貌。研究发现该异质结构具有迷人的特性：首先，rGO为MoS₂的生长提供了良好的平台，并诱导生长出了丰富的金属1T相MoS₂，提高了MoS₂正极的导电性；其次，丰富的金属1T相MoS₂和高导电性rGO的协同作用加快了电子的传输；此外，MoS₂纳米花在rGO上均匀生长且分散开来，有效地缓解了MoS₂的层间堆叠，为锌离子的扩散拓宽了道路。

图2. MoS₂-rGO的电化学性能

电化学测试结果表明，得益于上述优异的特性，在半电池中，MoS₂-rGO异质结构在0.20 A g^-1具有高达303.10 mAh g^-1的比容量，而且当电流密度增加100倍时仍有33.88 %的容量得以保留（20.00 A g^-1时比容量为102.70 mAh g^-1），显示出较高的倍率性能。系统的异位表征测试表明了锌离子在异质结中高度可逆的嵌入和脱出的储能机理。密度泛函理论计算证实了MoS₂-rGO异质结相较于原始的MoS₂具有更高的导电性和更低的锌离子扩散势垒。最后，令人印象深刻的是，基于MoS₂-rGO异质结构的准固态水系锌离子电池在弯曲状态和极端温度下也表现出稳定的电化学性能。这项工作为构建水系锌离子电池高性能的层状正极材料提供了借鉴。

图3. MoS₂-rGO//Zn准固态电池在不同柔性和不同温度下的充放电性能

论文信息

Rich 1T-MoS₂ Nanoflowers Decorated on Reduced Graphene Oxide Nanosheet for Ultra-Quick Zn²⁺ Storage

Fei Long, Junjie Shi, Qixiang Zhang, Zunyu Liu, Yixin Hou, Ke Mao, Dr. Nishuang Liu, Prof. Luying Li, Prof. Fei Long*, Prof. Yihua Gao*

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200110