基于LMAs制造一种自支撑的MoS2@NSPCB材料

基于石墨负极的锂离子电池能量密度逐渐不能够满足日益增长的能源需求。金属锂因其超高的理论比容量和超低的电化学电位被认为是高性能二次电池的理想负极。然而金属锂负极的实际应用受制于两个主要挑战--枝晶的不规则生长和巨大的体积变化，二者通过破坏/重建固体电解质界面（SEI），不断分解消耗电解液，甚至会导致短路，造成潜在的安全隐患。因此为了促进金属锂电池体系的进一步发展，开发处一种新型材料来有效抑制枝晶生长并缓解体积膨胀具有重要意义。

北化王峰教授、牛津副教授团队报告了一种简单的硫酸盐辅助法来制造一种新的自支撑材料，该材料为内含MoS2纳米片的分级多孔N，S掺杂的碳纳米带（称为MoS2@NSPCB）。MoS2@NSPCB材料具有丰富的金属/非金属亲锂位点，有利于锂的均匀成核。此外，分层的多孔结构和N，S掺杂的碳支撑使亲锂位点具有良好的结构稳定性和高表面化学活性。同时，三维导电纳米带网络确保了锂离子的快速扩散，有效抑制LMA在沉积/剥离过程中形成枝晶。通过原位测量和理论计算显示，碳纳米带内均匀分布的MoS2作为稳定的亲锂位点，有效地实现锂的均匀成核，并抑制了枝晶的生长。因此，MoS2@NSPCB在半电池中电化学表现优异，锂离子对称电池在3 mA cm-2/3 mAh cm-2的条件下能够稳定运行1500小时，且具有低过电位（≈24.2 mV）。与磷酸铁锂正极配对后，全电池表现出了460 Wh kg-1的高能量密度和良好的长循环性能（在10 C大电流下进行了1600次循环，容量保持率仍可达≈70%）。

图1. （a） MoS2@NSPCB薄膜的合成示意图，（b） MoS2@NSPCB薄膜在不同状态下实物图，包括扭曲、卷曲和折叠；（c1）NSPCB、（d1）MoOx@NCF和（e1）MoS2@NSPCB的SEM图，（c2） NSPCB、（d2） MoOx@NCF和（e2） MoS2@NSPCB的TEM图；（f） MoS2@NSPCB的高分辨率TEM图（插图：选定区域电子衍射图）和（g）EDX线性扫描分析

图2. （a） Li|Cu、Li|MoOx@NCF和Li|MoS2@NSPCB半电池在初始循环中的电压-容量曲线；（b）库仑效率（初始循环未显示）；（c， d） MoS2@NSPCB的Li|Li对称电池在不同电流密度下的循环性能；（e） MoS2@NSPCB和MoOx@NCF的锂离子扩散活化能；（f） MoS2@NSPCB Li|Li对称电池的循环性能，沉积容量为3 mAh cm-2；（g） MoS2@NSPCB Li|Li对称电池与其他材料电池的电化学性能比较；（h） MoS2@NSPCB-Li|LiFePO4软包电池在不同状态下为LED灯供电的实物图；（i） MoS2@NSPCB-Li|LiFePO4和Cu-Li|LiFePO4全电池的循环性能

图3. （a） MoS2@NSPCB在0.1 A g-1时的恒流充电-放电（GCD）图和相应的原位拉曼光谱；（b） MoS2@NSPCB在0.1 A g-1时的GCD图和相应的原位XRD图；（c）NSC， MoS2， （d）Li2S， Mo不同几何形状上的顶视图和侧视图、实空间电荷密度和与Li原子的Ead值

图4. 原位光学显微镜观察（a）铜箔、（b）MoOx@NCF和（c）MoS2@NSPCB在1 mA cm-2下6小时的镀锂行为，（d1，d2）镀锂前，（e1，e2）在1 mA cm-2下镀3 mAh cm-2的锂后，（f1，f2）在1 mA cm-2下镀6 mAh cm-2的锂后，以及（g1，g2）在1 mA cm-2下剥离6 mAh cm-2的锂后MoS2@NSPCB的表面和截面SEM图。

本课题使用一种高效的硫酸盐辅助方法为LMAs制造了一种自支撑的MoS2@NSPCB材料，使用MoS2@NSPCB基体的LMA保持无枝晶结构，具有良好的半电池和全电池性能。研究表明，N，S掺杂的碳纳米带牢牢地固定了MoS2衍生的亲锂位点，使锂的成核均匀化并抑制了锂枝晶的形成。此外，具有分层多孔结构的导电三维结构的存在加速了锂离子的扩散，并适应了锂沉积物的体积变化。这项工作不仅为LMAs提出了一种新的自支撑基体，而且还为其他金属负极的改性提供了新的思路。

审核编辑：彭静