动力电池结构设计书籍（广工大Carbon独特分层结构）

导读：本文设计的复合材料呈现了优异的钠存储性能，包括大的可逆容量、循环稳定性和极好的高倍率能力。在30 A g-1非常高的电流密度下，MoS2/NCF-MP仍具有有217 mAh g–1相当可观的容量，这意味着充放电可以在26s很短的时间内完成。

目前，锂离子电池由于具有寿命长、绿色环保、工作电压高和能量密度高等众多优势，已被广泛用于电子产品和电动汽车等方面。然而，随着锂资源的开发和利用，地球上锂的数量不能满足需求的快速增长，从而导致了高成本进而限制了锂离子电池的发展和使用。钠资源具有低成本、储量丰富的优势，因此钠离子电池有希望替代锂离子电池，成为下一代大规模储能器件之一。然而由于钠离子的原子半径大于锂离子的原子半径，因此由于传统的锂离子电池负极材料石墨较小的层间距难以容纳半径更大的钠离子的嵌入/脱出。因此，研究新型的、适合储钠的负极材料已成为钠离子电池的发展关键。

在众多材料中二硫化钼由于其独特的二维的层状类石墨的结构、合适的层间距和较高的理论比容量脱颖而出，并得到广泛的研究。虽然一些研究者合成了二硫化钼的各种复合材料，具有良好的电化学性能，然而二硫化钼的高速率性能仍不能满足应用需求。考虑到整个钠离子存储的过程中，决定速率性能的关键因素是电解质离子转移和电化学反应动力学，特别是钠离子插入到二硫化钼层的缓慢步骤。因此，解决这些问题的有效策略是构建纳米尺度的二硫化钼，扩大层间距以促进离子的快速存储/释放，以及设计多孔通道以增强电解质的转移。

近期，广东工业大学张海燕教授和李争晖副教授最新研究表明，通过非原位热解、模板法和电纺法合成少数层的MoS2/NCF-MP复合材料（少数层的MoS2、N掺杂多孔碳纳米纤维、具有大孔结构），以四硫代钼酸铵为二硫化钼的前驱体、聚苯乙烯纳米球为造孔剂和聚丙烯腈为碳源。MoS2/NCF-MP复合物具有独特的分层结构，二维超小型的二硫化钼、一维的碳连续相、三维的多孔碳纤维骨架和较高的氮含量，展现了优越的钠存储性能。相关论文以题为“Few-layer MoS2 embedded in N-doped Carbon fibers with interconnected macropores for ultrafast sodium storage”于近日发表在《Carbon》上。

论文链接

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320306680#!

总的来说，MoS2/NCF-MP具有独特的结构优点：（1）超小型少数层的二硫化钼结合非常薄的碳骨架可以最大化的减小固态扩散长度和降低电化学反应电阻；（2）三维相互连接的大孔结构可以提供从电解液到电极表面的离子传输路径，加速钠离子的转移，还可以提供空间缓解在嵌钠/脱钠过程的体积变化；（3）氮原子的掺杂可以提高电子电导率和增强电极的电化学活性。

因此，MoS2/NCF-MP呈现了优异的钠存储性能包括大的可逆容量、循环稳定性和极好的高倍率能力。在1 A g−1大电流密度下经过300圈长循环后，没有观察到明显的容量衰减，稳定在390 mAh g−1。更重要的是，即使在30 A g-1非常高的电流密度下，MoS2/NCF-MP仍具有有217 mAh g–1相当可观的容量，这意味着充放电可以在26 s很短的时间内完成。（文：Caspar）

图1 MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF的合成流程图

图2 （a）(NH4)2MoS4/PAN-PS的扫描电镜照片（插图为对应的局部放大照片），（b）MoS2/NCF-MP的扫描电镜照片（插图为对应的局部横截面放大照片），MoS2/NCF-MP的（c）透射电镜照片，（d）高分辨率透射电镜照片，（e）透射电镜下的暗场像（h-k）在透射电镜下MoS2/NCF-MP复合物中Mo，S，C和N元素的面分布图。

图3 纯的MoS2，MoS2/NCF和MoS2/NCF-MP的表征：（a）X-射线衍射光谱，（b）拉曼光谱，（c）氮气吸脱附曲线，（d）孔径尺寸分布。

图4 MoS2/NCF-MP的XPS图谱：（a）Mo 3d，（b）S 2p，（c）N 1s，和（d）C1s。

图5 MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF的电化学性能：（a）MoS2/NCF-MP样品在0.1 mV s-1扫速下0.005~3.0 V电压窗口下初始三圈的循环伏安曲线，（b）MoS2/NCF-MP样品在0.1 A g-1电流密度下的前三圈充放电曲线，（c）MoS2/NCF-MP样品在不同电流密度下的恒流充放电曲线（0.1~30 A g-1），（d）MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF的倍率性能曲线（0.1~30 A g-1），（e）与已报道MoS2基负极材料的倍率性能对比，（f）MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF在0.01~100 kHz的电化学交流阻抗图谱，（g）MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF在0.1 A g-1电流密度下的循环性能曲线及库伦效率，（h）MoS2/NCF-MP在1 A g-1电流密度下的长循环性能曲线及库伦效率。

图6 （a）MoS2/NCF-MP样品在不同扫速下0.005~3.0 V电压窗口下的循环伏安曲线（0.1 mV s-1到1 mV s-1），（b）和（c）MoS2/NCF-MP和MoS2/NCF样品峰电流（ip）和扫速的二分之一次方（v1/2）的关系，（d）MoS2/NCF-MP不同圈数的样品峰电流取对数（log ip）和扫速取对数（log v）的关系，（e）MoS2/NCF-MP在不同扫速下赝电容贡献的百分含量，（f）MoS2/NCF-MP在1 mV s-1扫速下循环伏安曲线（黑色线）中赝电容贡献（蓝绿色区域）百分含量。

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