设计合理的MoS2/硅纳米颗粒异质结构保障硅负极性能发挥
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第一作者： Ifra Marriam
通讯作者： Cheng Yan，Ifra Marriam
通讯单位：澳大利亚昆士兰科技大学
【研究背景】
具有稳定电化学性能的MoS 2 被认为是锂离子电池负极的优先选择之一；硅负极具有高的比容量，但其大的体积变化限制了其的进一步发展；如何实现负极的高容量及稳定性至关重要。
【工作简介】
近日， 韩国首尔国立大学 Jungwon Park 团队 合理设计的具有MoS 2 与Si异质结构的纳米片不仅可以缓解体积膨胀，而且可以保持良好的电化学性能。分层的MoS 2 纳米片可以容纳Si的体积膨胀，并为锂离子传输提供通道；合理设计的纳米片结构具有优异的电化学性能，经过500圈循环后膨胀率只有68%，且在500 mA/g的电流密度下循环500圈后仍保持60%的容量。这项工作对硅和二维材料复合负极的设计具有借鉴和指导意义。相关工作以“Few-layer MoS 2 nanosheets with and without silicon nanoparticles as anodes for lithium-ion batteries”为题发表在国际期刊Journal of Materials Chemistry A上。
【文章详情】
材料分析
图1：a)合成示意图。b-d）NaCl和NaCl@MoS 2 材料的SEM图。e-h）MoS 2 材料的拉曼光谱和XPS光谱。
作者通过以三维结晶的NaCl立方体为基底的CVD技术成功合成了NaCl@MoS 2 ，并且通过控制生长时间来改变表面MoS 2 纳米片的厚度和层数。拉曼分析和XPS分析结果证实了MoS 2 的成功生长，并且作者通过拉曼分析中平面内振动模式和平面外振动模式的拉曼强度来表征层数的多少。
图2：a-f）生长3min，5min和10min后MoS 2 @NaCl材料的SEM图。g-j) 生长5min后MoS 2 @NaCl材料的EDS图。
作者通过SEM对不同生长时间下合成的MoS 2 @NaCl样品进行形貌检测；结果表明在生长前期，NaCl表面形成一层连续的MoS 2 薄层，并且随着生长时间增加其表面开始生长随机大小的薄片，最终形成覆盖整个NaCl晶体表面且相互重叠的较大薄片。EDS分析确认了复合材料中主要元素的存在，进一步表明材料成功合成。
图3：a) MoS 2 @Si异质结构材料的合成示意图。b-g) MoS 2 @Si异质结构材料的SEM和EDS图像。
作者随后将合成的MoS 2 @NaCl溶于水并通过真空过滤制备MoS 2 @Si异质结构材料。将Si粒子限制在二维MoS 2 纳米片之间可以缓解Si在反应过程中的体积膨胀，并且纳米片间的空隙有利于锂离子扩散。SEM和EDS分析表明MoS 2 @Si异质结构的成功合成。
图4：a-e) MoS 2 @Si异质结构材料的拉曼光谱分析和XPS分析。f) 77 K下MoS 2 @Si异质结构材料、MoS 2 和Si样品的氮气吸脱附等温线。
作者对制备的MoS 2 @Si异质结构材料进行拉曼、XPS和孔隙度分析。拉曼和XPS光谱揭示了MoS 2 @Si异质结构的成功合成；BET分析结果表明MoS 2 @Si异质结构材料具有最大的比表面积，这是由于MoS 2 @Si异质结构的边缘有一些隔离的MoS 2 纳米片，大的比表面积可以提供更多的锂离子活性位点，这将有利于锂离子存储。
图5：a-b) MoS 2 @Si异质结构材料和MoS 2 材料的CV曲线。c-d) MoS 2 @Si异质结构材料和MoS 2 材料在100 mA/g的电流密度下前5圈的充放电曲线。
作者通过循环伏安法和恒流充放电循环测试来了解MoS 2 @Si异质结构材料的电化学性能和可能的反应机理。几乎重叠的不同圈数CV曲线反映了电极良好的电化学稳定性和活化过程；MoS 2 @Si异质结构材料在100 mA/g的电流密度下放电容量超过1500 mAh/g，具有非常好的容量保持和循环寿命，并且不同圈数趋于稳定的充放电曲线进一步说明MoS 2 @Si异质结构材料具有良好的稳定性。
图6：a) MoS 2 @Si异质结构材料和MoS 2 材料的倍率图。b-c) MoS 2 @Si异质结构材料和MoS 2 材料在100和500 mA/g电流密度下的循环图。d-f) 不同材料在500 mA/g电流密度下循环后的截面SEM图。
倍率测试结果表明合成的MoS 2 纳米片和MoS 2 @Si异质结构材料在1000 mA/g的电流密度下分别具有508和625 mAh/g的比容量，这证明了MoS 2 纳米片和MoS 2 @Si异质结构材料都具有优异的倍率性能。并且MoS 2 @Si异质结构材料在500 mA/g的大电流密度下循环500圈后仍具有60%的高容量保持率，这表明MoS 2 作为一个缓冲物限制了硅的体积膨胀的程度。作者通过分析不同电极循环后的SEM图像发现MoS 2 @Si异质结构材料的体积膨胀率仅为68%，这与材料优异的循环性能相对应。
图7：a) MoS 2 @Si异质结构材料的改性示意图。b-c) MoS 2 @Si异质结构材料和Si材料在循环前后的SEM图像。
作者通过对500次循环前后的SEM图像分析得出MoS 2 的引入显著改善了Si的体积膨胀。MoS 2 @Si电极中的Si颗粒在500次循环后仍保持几乎完整的结构，而Si电极中的Si颗粒经过循环后出现各种裂纹。MoS 2 @Si稳定的结构与其优异的电化学性能密切相关。
【结果与展望】
作者合理设计的MoS 2 与Si异质结构的的纳米片不仅可以缓解体积膨胀，而且可以保持良好的电化学性能。分层的MoS 2 纳米片可以容纳Si的体积膨胀，并为锂离子传输提供通道；合理设计的纳米片结构具有优异的电化学性能，其经过500圈循环后只有68%的膨胀率，且在500 mA/g的电流密度下循环500圈后保持了60%的容量。这项工作对硅和二维材料复合负极的设计具有借鉴和指导意义。
Ifra Marriam, Mike Tebyetekerw, Hao Chen et al. Few-layer MoS 2 nanosheets with and without silicon nanoparticles as anodes for lithium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A (2023).
https://doi.org/10.1039/D2TA08886J
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