CEJ：构建超稳定、超快的1T-MoS2/Ti3C2 MXene三维充放电网络异质结构用于高性能水系锌离子电池正极

锂电联盟会长 2022-12-02

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文章信息

稳固化学耦合1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene异质结构的超稳定和超快3D充放电网络用于水系锌离子电池

第一作者：龙飞

通讯作者：龙飞*，高义华*

单位：华中科技大学，桂林理工大学

研究背景

可充电水系锌离子电池因其低成本、高理论容量、高安全性等优势而引起了广泛关注。其中正极材料在整个电池体系中发挥着重要的作用。然而，目前的大多数正极材料都存在着导电性差、锌离子在其中的扩散动力学行为缓慢等问题。尽管正极材料MoS₂的开放式层状结构有利于锌离子的插入，但差的导电性和不活跃的基面依然限制了其在水系锌离子电池中的发展。

构建合适的导电网络异质结构能够缓解以上问题。这是因为异质结构的内生电场可以作为电荷转移力，有效促进电子的转移。金属性质的1T-MoS₂具有大的层间距和高的导电性，是水系锌离子电池正极材料的理想候选者。此外，新兴的Ti₃C₂ MXene自问世以来一直因其表面官能团丰富、层间距可调、电子导通能力强而在电池领域有着广泛的应用。因而构建1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的异质结构有望提高整体的导电性和改良MoS₂的惰性基面，从而在水系锌离子电池中实现更高效的充放电目标。

文章简介

基于此，华中科技大学高义华教授和桂林理工大学龙飞教授合作在国际知名权威期刊Chemical Engineering Journal上发表题为 “Ultrastable and ultrafast 3D charge-discharge network of robust chemically coupled 1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene heterostructure for aqueous Zn-ion batteries”的研究文章。

该工作设计了一种新型的1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene充放电网络异质结构。研究发现，扩大层间距后的1T-MoS₂和高导电性的Ti₃C₂ MXene之间形成了牢固耦合的化学键，因而1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene异质结构具有良好的导电性和环境稳定性。电化学测试结果显示，1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的放电容量在0.10 A g⁻¹时达到了284.3 mAh g⁻¹且在10.00 A g⁻¹时为105.2 mAh g⁻¹，且保持高的倍率性能。

电池在经过3000次循环后容量保留率为93.2%，展现出优异的循环稳定性。高倍率性能来源于Ti₃C₂ MXene的快速电子和离子传输能力。长期循环稳定性得益于1T-MoS₂和Ti₃C₂ MXene在三维互连网络中的高效协同作用。另外，采用1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene构建的柔性可穿戴准固态锌离子电池在不同弯曲条件下也表现出稳定的电化学性能。

图1. 1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene 三维充放电网络异质结构示意图。

本文要点

要点一：

采用一步水热法合成了MoS₂/Ti₃C₂ MXene异质结构。形貌观察表明，MoS₂原位均匀生长并牢固耦合在Ti₃C₂ MXene上。Ti₃C₂ MXene诱导和优化了MoS₂的晶格生长，MoS₂的层间距也得到了扩展。

图2. 2H-MoS₂ (a, b, c, d)、1T-MoS₂ (e, f, g, h)、2H-MoS₂/Ti₃C₂ MXene (i, j, k, l)、1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene (m, n, o, p) 的微观形貌。

要点二：

对MoS₂/Ti₃C₂ MXene异质结构和原始MoS₂电极的电化学性能进行了测试。对比发现，1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene具有较高的导电性和锌离子扩散系数，因而在水系锌离子电池中显示出了较高的倍率性能和突出的循环稳定性。

图3. 2H-MoS₂、1T-MoS₂、2H-MoS₂/Ti₃C₂ MXene、1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的电化学性能。

要点三：

系统的非原位测试表征揭示了1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的储能机理。综合分析XRD、XPS、SEM、TEM的测试结果后发现，1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的储能来源于充放电过程中，锌离子在MoS₂层间的可逆嵌入及脱出并伴随着2H-MoS₂和1T-MoS₂之间的可逆相变。

图4. 1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene正极的储能机理。

要点四：

构建了柔性可穿戴准固态锌离子电池并测试了其电化学性能。采用锌箔负极，1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene正极，PVA/Zn(CF₃SO₃)₂水凝胶电解质构建了可穿戴的准固态锌离子电池。该电池即使发生弯曲后或穿戴在手腕上时，也有着稳定的电化学表现，在柔性和可穿戴电子设备领域展现出良好的应用前景。

图5. 柔性可穿戴准固态锌离子电池的展示。

总结

本文通过在Ti₃C₂ MXene上原位生长和耦合1T-MoS₂，构建了具有高导电性和稳定性的三维互连充放电网络异质结构。1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene异质结构在作为水系锌离子电池的正极材料时，表现出高的倍率性能和优异的循环稳定性。

综合电化学反应动力学研究表明，异质结构通过降低电荷转移电阻和提高离子扩散率有效地提高了速率能力。突出的循环稳定性来自于1T-MoS₂和Ti₃C₂ MXene的强耦合微观结构及它们在三维互连网络中的高效协同效应。系统的非原位测试表征表明，1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene的储能机制涉及锌离子的插层和MoS₂的可逆相变。

最后，采用1T-MoS₂/Ti₃C₂ MXene构建的可穿戴准固态锌离子电池即使在严重弯曲状态下也能输出稳定且可观的容量，显示出良好的应用前景。这项工作有望为二维材料作为锌离子电池的高性能正极提供新的思路。

文章链接

F. Long, Q. Zhang, J. Shi, L. Wen, Y. Wu, Z. Ren, Z. Liu, Y. Hou, K. Mao, K. Niu, N. Liu, Z. Zhang, L. Li, J. Su, F. Long, Y. Gao, Ultrastable and ultrafast 3D charge-discharge network of robust chemically coupled 1T-MoS₂ /Ti₃C₂ MXene heterostructure for aqueous Zn-ion batteries, Chemical Engineering Journal (2022),

doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140539

来源：科学材料站

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