具有擴大層間距離的二維材料的插層結構可以促進質量傳輸，這在快速充電鋰離子電池（LIB）中很有前景。然而，設計的插層結構在惡劣的工作條件下會被粉化和破壞，導致電池的整體性能下降。在這里，我們提出了一種由典型層狀材料 MoS2 通過聚合物插層策略插入 N 摻雜石墨烯類碳單層 (MoS2/g-CM) 制成的插層異質結構，作為 LIB 陽極，表現出獨特的可逆可重構行為。騎自行車。提出了“碳單層限制拓撲轉化”的機制，并通過大量的原位/非原位表征得到了證明。 MoS2/g-CM 的插層異質結構具有可重構特性和高效的層間電子/離子傳輸，表現出前所未有的高達 50 A g-1 的倍率性能和出色的長循環性能。此外，所提出的基于g-CM插層的策略已擴展到MoSe2系統，還實現了插層異質結構的可重構性并提高了LIB性能，展示了其多功能性和巨大的應用潛力。
圖 1. 插層異質結構的合成、可重構行為和表征。 (a) MoS2/g-CM 的合成。 (b) 示意圖顯示 MoS2/g-CM 插層異質結構在鋰化和脫鋰時的可逆重構性。 (c) MoS2/g-CM 和 MoS2 的 XRD 圖譜。 (d, e) MoS2/g-CM (002) 晶格條紋的 HRTEM 圖像和放大倍數。 (f) MoS2/g-CM 的 (002) d 間距的傅立葉變換。 (g, h) MoS2 (002) 晶格條紋的 HRTEM 圖像和放大倍數。 (i) MoS2 的 (002) d 間距的傅立葉變換。 (j) MoS2/g-CM 和 MoS2 的拉曼光譜。 (k) MoS2/g-CM 的 STEM 圖像和元素映射。
圖 2. MoS2/g-CM 和 MoS2 的原子和電子結構表征。 (a) Mo K 邊緣處的歸一化 XANES。 (b) K 空間 k3 加權 EXAFS 擬合曲線。 (c) WT-EXAFS 圖。 (d) MoS2/g-CM 和 MoS2 的 k3 加權 FT-EXAFS 曲線。 (e) S-Mo-S 和單碳層間 Mo-C/N 相互作用的示意圖。
圖 3.電池性能、鋰擴散動力學分析和鋰化過程的自由能曲線。 (a) 不同電流密度下的充放電曲線。 (b) MoS2/g-CM 和 MoS2 的倍率性能。 (c-e) MoS2/g-CM 和 MoS2 分別在 0.5、10 和 50 A g-1 下的循環性能。 （f，g）MoS2/g-CM和MoS2表面的Li擴散路徑。 (h)計算出MoS2/g-CM和MoS2表面的Li擴散能壘。 (i, j) MoS2/g-CM 和 MoS2 層間的 Li 擴散路徑。 (k)計算出MoS2/g-CM和MoS2層間的Li遷移能壘。 (l) EC@Li2–MoS2/g-CM 的結構，其中 Li 離子和 EC 分子一起吸附在 MoS2 的邊緣。 (m) EC–Li2@MoS2/g-CM的結構，去溶劑化后，Li離子進入MoS2和g-CM的層間。 (n) EC–Li2S@MoS2–x/g-CM 的結構，其中 Li 離子與 MoS2 反應。 (x表示一個或多個S原子與Li原子結合，脫離MoS2/g-CM結構單元。) (o) Li2與MoS2和MoS2/g中的EC分子一起吸收、去溶劑化和轉化的能量變化-厘米。
圖 4. 原位/異位表征。 (a, b) MoS2/g-CM 和 MoS2 的原位 XRD 圖譜。 (c, d) MoS2/g-CM 和 MoS2 在鋰化和脫鋰過程中的異位 HRTEM 圖像。 (e) 碳單層限制拓撲轉變的示意圖，使得 MoS2/g-CM 的插層異質結構可逆重構，(f) 傳統轉變在鋰化和脫鋰過程中導致原始 MoS2 的結構損壞。
圖 5. 機械模擬。 (a,b)MoS2/g-CM和MoS2的有限元模擬模型。青色矩形代表 MoS2 納米片，插入納米片中的白色薄層代表 g-CM。 (c, d) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同充電狀態 SOC 的鋰化過程中的應力-應變分布圖（對于無鋰狀態，SOC = 0，對于完全鋰化狀態，SOC = 1）。藍色代表低應力，綠黃色代表應力值逐漸增加，紅色代表最大應力。 (e, f) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同 SOC 充電狀態值下的最大應力的演變。 (g, h) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同 SOC 值下最大應變的演變。
相關科研成果由同濟大學Jinhu Yang等人于2024年發表在Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.4c01550）上。原文：Reconstructable Carbon Monolayer-MoS2 Intercalated Heterostructure Enabled by Atomic Layers-Confined Topotactic Transformation for Ultrafast Lithium Storage
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c01550
轉自《石墨烯研究》公眾號
