Weinig gelaagde MoS2/acetyleenzwarte composiet als een efficiënt anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen
Abstract
Nieuwe MoS2 /acetyleenzwart (AB) composiet werd ontwikkeld met behulp van een hydrothermische methode in één stap. Een systematische karakterisering onthulde een paarlaagse, ultradunne MoS2 gegroeid op het oppervlak van AB. De opname van AB bleek de capaciteit van het composiet te vergroten en een ontlaadcapaciteit van 1813 mAhg −1 te bereiken .
Achtergrond
Lithium-ionbatterij (LiB) is een van de belangrijkste oplaadbare energieopslagtechnologieën die wordt gebruikt in een verscheidenheid aan draagbare elektronische apparaten zoals laptops en mobiele telefoons. In het huidige scenario van toenemende vervuiling en uitputting van fossiele brandstoffen, zijn de vooruitzichten in de onderzoeksgemeenschap voor LiB-power-sourced elektrische voertuigen (EV's) toegenomen. De prestaties van EV's zijn sterk afhankelijk van de prestaties van de LiB's op het gebied van capaciteit en fietsbaarheid. Grafiet, een veelgebruikt anodemateriaal voor commerciële LiB's [1] bood veel verbeteringen in vergelijking met oudere koolstofhoudende en zuivere Li-anodematerialen. Maar de beperkte theoretische capaciteit van grafiet (372 mAhg −1 ) vraagt om een vervanger om de capaciteit van de LiB te vergroten. Er is nogal wat onderzoek gedaan naar de verbetering van anodematerialen om een hoge specifieke capaciteit en recycleerbaarheid te bereiken. Na opname van supermateriaal ‘grafeen’ in LiBs bleek de bereikte capaciteit twee keer zo groot als die van grafiet [2, 3]. Bij het zoeken naar andere alternatieven, MoS2 bleek een veelbelovende kandidaat te zijn met een hoge capaciteit, gemakkelijke voorbereiding en een kleine volume-expansie [4]. MoS2 blijkt betrokken te zijn bij vier elektronenoverdrachtsreacties terwijl Li-ionen worden gehost, waardoor de capaciteit zo hoog is als 669 mAhg −1 . Hoewel de bulk MoS2 biedt niet veel opwindende elektrochemische eigenschappen voor Li-opslag, de nanogestructureerde tegenhangers van hetzelfde bieden meer opwindende eigenschappen, vandaar de grote groeiende belangstelling. Hoewel er maar weinig nanogestructureerde materialen bestaan, zoals koolstof, silicium [5], tin [6] en tindioxide [7], is MoS2 presteert beter dan deze in termen van tariefcapaciteit en capaciteitsbehoud, samen met economische levensvatbaarheid. Ondanks verschillende opvallende kenmerken, MoS2 als zodanig kan het niet worden gebruikt als commercieel anodisch materiaal in LiB's vanwege de lage intrinsieke elektronische geleidbaarheid en grote uitzetting en samentrekking na lithiëring en delithiëring, wat resulteert in verpulvering en verlies van elektrisch contact [8,9,10]. Deze resulteren op hun beurt in een slechte cyclability en dynamiek van MoS2 lithium opslag. Er zijn verschillende strategieën uitgewerkt om deze nadelen weg te werken. Ze zijn MoS2 nanostructuren met gevarieerde morfologieën, MoS2 /geleidende polymeerhybriden [1, 11] en MoS2 /koolstof nanocomposieten [12,13,14]. Onlangs, MoS2 /koolstofmaterialen werden aantrekkelijk bevonden vanwege hun capaciteiten van wel [15, 16] als 1000 tot 1100 mAhg −1 . Het huidige onderzoekswerk heeft betrekking op de voorbereiding van nieuwe, enkele laag MoS2 /AB-composietmateriaal met een bekend maar verwaarloosd roet, acetyleenzwart, als geleidend substraat. Naast het feit dat het een hoge oppervlakte / volumeverhouding heeft, vertoont het een interessant zeer goede interactie met de elektrolyten [17]. Het staat ook bekend om zijn bindend vermogen en wordt gebruikt bij het bereiden van goede inkten om koolstofelektroden te maken die bindend vermogen bieden samen met een goede elektronische geleidbaarheid. De studie toont niet alleen AB aan als een goed geleidend substraat, maar ook als een beter nucleatiemateriaal voor de bereiding van hoogkristallijn, weiniglaags MoS2 . De systematische karakterisering en toepassing van het materiaal als anode in LiB leidde tot ~ 1813 mAhg −1 . Voor zover wij weten, is dit de eerste keer dat een MoS2 . met enkele lagen wordt gebruikt /AB-composiet is gebruikt als anodemateriaal om een hoge specifieke capaciteit te bereiken.
Methoden
Synthese
De weiniglaagse MoS2 /AB-composiet werd bereid met behulp van een gemakkelijke hydrothermische methode met één pot. Hierin zit 1 mmol Na2 MoO4 2H2 O en 5 mmol thioureum werden opgelost in 60 ml water waaraan 100 mg AB was toegevoegd. Deze oplossing werd gedurende 30 minuten aan ultrasone trillingen onderworpen om een homogene oplossing te verkrijgen die 24 uur in een autoclaaf op 210 ° C werd gehouden. Het resulterende materiaal werd gefiltreerd, grondig gewassen met water en 12 uur onder vacuüm bij 100°C gedroogd. Over het algemeen zal, samen met het actieve materiaal, een geleidende koolstof (acetyleenzwart) worden gebruikt samen met een polymeerbindmiddel zoals polyvinylideenfluoride om een inkt te maken. In de huidige studie wordt AB gebruikt als geleidend substraat en nucleatiesubstraat om MoS2 met weinig lagen te laten groeien . Het gebruik van de extra 10% geleidende koolstof wordt dus weggelaten bij de inktbereidingsmethode. Kortom, MoS2 /AB-composiet samen met 10 gew.% PVDF werd in een beker gebracht, aan deze isopropylalcohol, en NMP-mengsel werd toegevoegd om te dispergeren met behulp van ultrasone trillingen. Zo werd een uniform gedispergeerde slurry bereid en vervolgens werd deze over een Cu-folie gesproeid. De elektrode werd een nacht onder vacuüm bij 120 ° C gedroogd om sporen van gebruikte oplosmiddelen te verwijderen. De elektrode bestond uit 0,728 mg/cm 2 van actief materiaal.
Materiaalkarakteriseringen
Het diffractiepatroon van het materiaal werd gekenmerkt door een poederröntgendiffractietechniek (Smart Lab X-Ray Diffractometer, Rigaku) met Cu Kα-straling (λ =0,154 nm, over het 2θ-bereik van 10 ° -70 ° met een stapgrootte van 0,005°). Elementanalyse van het materiaal werd bestudeerd met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS)-techniek uitgevoerd op het S-ProbeTM 2803-instrument. De morfologische karakterisering werd gedaan met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HR-TEM) op het Hitachi H-7650-model. TEM-monster werd bereid door een methanolische oplossing met een goed gedispergeerde composiet op een met koolstof gecoat koperen rooster te laten vallen.
Resultaten en discussie
Het diffractiepatroon van het bereide materiaal wordt getoond in figuur 1a. De zwakke en verbrede piek bij 25° tot 28° kan worden toegeschreven aan de koolstof (002). Alle andere scherpe en onderscheidende pieken impliceren de fasezuiverheid en hoge kristalliniteit. Deze pieken komen goed overeen met de hexagonale MoS2 vliegtuigen [2]. De gemiddelde c -stapelhoogte werd berekend met behulp van de Scherrer-vergelijking (kλ /β cosθ ) waar k is de vormfactor, λ is de röntgengolflengte, β is de volledige breedte bij halve maxima (FWHM) van (002) piek van MoS2 , en θ is de toppositie. De berekende c -stapelhoogte bleek 5 nm te zijn, bestaande uit vijf tot zes lagen MoS2 . Elementaire analyse van MoS2 /AB-composiet werd uitgevoerd met XPS. Bemonstering voor XPS werd uitgevoerd door het materiaal op Cu-folie te druppelen. Het XPS-onderzoeksspectrum (figuur 1b) gaf de aanwezigheid van Mo, S, C en een kleine hoeveelheid O aan. De Mo:S-verhouding bevestigde de stoichiometrische vorm van het materiaal in de vorm van MoS2 . De compositie bevestigde ook de MoS2 :AB als 8:2; met andere woorden, de hoeveelheid AB in het composiet was 20%. Deconvolutie van hoge resolutie piek (Fig 1c) van molybdeen onthulde twee pieken bij 231,3 en 228,2 eV overeenkomend met 3d3/2 op 3d1/2 van Mo(IV). De afwezigheid van een andere 3D-piek bevestigt de afwezigheid van andere hogere oxidatietoestanden van Mo; met andere woorden, de afwezigheid van oxide van Mo was duidelijk. Het zuurstofatoompercentage in de MoS2 /AB en AB blijken hetzelfde te zijn. Daarom kan deze zuurstof alleen worden toegeschreven aan de functionele groepen van AB, wat op zijn beurt de afwezigheid van oxidevormen van Mo bevestigt. De sulfidepieken bij 161 en 162,1 eV vertegenwoordigen de 3p1/2 en 3p3/2 van sulfide (Fig 1d). Dit bevestigt de aanwezigheid van pure MoS2 in de composiet. De morfologische kenmerken van de MoS2 /AB-composiet werden bestudeerd met behulp van TEM. Figuur 2a toont de sterk onderling verbonden morfologie van AB, en figuur 2b toont de fijn gelaagde AB en grafeenachtige transparante 2D-lagen die aan de randen worden blootgesteld. TEM-microfoto's (afb. 2c, d) laten zien dat de MoS2 /AB is van gelaagde aard met een paar lagen MoS2 samen met de onderling verbonden aard van AB die altijd als een rode draad doorloopt. De morfologie van de MoS2 lagen bleken een bloemachtige structuur te zijn, en de deeltjesgrootte bleek ongeveer 650 nm te zijn, verdeeld over een netwerk van AB. Hiermee is het heel duidelijk dat de beeldverhouding van MoS2 met betrekking tot de deeltjesgrootte van AB is zeer hoog, waardoor AB een zeer goed geleidende linker is. De hoge oppervlakte / volumeverhouding van de AB maakt het een uniform geleidend netwerk verdeeld over de MoS2 matrix zelfs met slechts 20 gew.%. Afbeelding 2d bevestigt ook de vergelijkbare resultaten als XRD met vijf tot zes lagen MoS2 . Omdat AB veel structurele en functionele defecten bleek te hebben, kan worden verwacht dat de verbeterde kiemvorming een uniforme en meer verspreide laag vormt met AB als geleidende ruggengraat. De aanwezigheid van AB beperkt ook in hoge mate het weiniglagige karakter van MoS2 van opnieuw stapelen.
(een ) XRD-diffractiepatronen voor MoS2 /AB en onbewerkte AB. (b ) XPS-enquêtespectrum met de aanwezigheid van Mo, S, C en O. c Spectra met hoge resolutie van Mo 3d-piek en d S 2p
TEM-microfoto's van a AB toont onderling verbonden morfologie. b Zeer gelaagd karakter van AB. c MoS2 nanokristal met bloemachtige morfologie. d Gelaagde en transparante morfologie van MoS2 met inzet die een paar lagen MoS2 . van dichtbij toont in de voorbereide composiet
Om de elektrochemische prestaties van de weiniglaagse MoS2 . te begrijpen /AB composiet, speciaal om het effect van sterk geëxfolieerde MoS2 . te bestuderen en AB tot de capaciteit, galvanostatische lading-ontlaadtests in een conventioneel knoopceltype werden uitgevoerd. De halve cel werd gemaakt met Li-folie als kathode en zoals bereid MoS2 /AB-composiet als anode gescheiden door een celgard®-scheider, en 0,1-M LiTFSI-zout in EC:DEC werd als elektrolyt gebruikt. De ladingsontlading gebeurde met een snelheid van 0,090 mA tussen 2,10 en 0,03 V. Afbeelding 3a toont de ladingsontladingscurves hiervoor. De typische ladingsontladingscurven werden waargenomen in het geval van MoS2 /AB composiet. Het plateau rond 1,0 V vs Li/Li + staat voor het inbrengen van lithium.
$$ Mo{S}_2+ xL{i}^{+}+x{e}^{-}\to L{i}_x Mo{S}_2 $$
een Ontlaadcurves voor 10 cycli (links) en b coulomb efficiëntie en specifieke capaciteit vs cyclusnummer (rechts)
Het lagere plateau dat optreedt bij 0,6 V versus Li/Li + kan worden toegeschreven aan het omzettingsreactieproces, dat eerst ofwel de omkeerbare in-situ ontleding van MoS2 met zich meebrengt in metallic Mo ingebed in een Li2 S-matrix en/of resulterend in de gelachtige polymeerlaag van de elektro-afbraak van elektrolyt. Beide potentiële plateaus verdwijnen na de eerste paar cycli. In de delithiatiecurve wordt een klein maar opvallend plateau gezien rond 1,7 V, en dit is typerend voor de zeer kristallijne fase van MoS2 in de composiet. Zoals te zien is in figuur 3a, gaf het composiet een enorm hoge eerste lithiëringscapaciteit van 4086 mAhg −1 , en toen bleek de omkeerbare capaciteit ongeveer 1813 mAhg −1 te zijn . Afbeelding 3b toont de coulombefficiëntie en specifieke capaciteit versus het aantal cycli. Na de eerste cyclus zal de MoS2 /AB-composietelektrode vertoonde een omkeerbaar laad-/ontlaadgedrag, met een stabiele capaciteit van ongeveer 1813 mAhg −1 met een coulombefficiëntie van> 95%. De omkeerbare capaciteit van het huidige materiaal blijkt 523 mAhg −1 te zijn hoger dan dat van het kampioenschapsmateriaal tot nu toe. De verbeterde capaciteiten kunnen worden toegeschreven aan de volgende factoren:(i) sterk geëxfolieerde en weinig gelaagde MoS2 , (ii) synergetisch effect tussen MoS2 . met weinig lagen en gelaagde AB, (iii) verbeterde lithiëring en delithiatie door de aanwezigheid van AB met een hoog absorptievermogen van elektrolyt, en (iv) verbeterde elektronische geleidbaarheid met de introductie van AB.
Conclusies
Concluderend omvat het huidige onderzoekswerk de voorbereiding van nieuwe, enkele laag MoS2 /acetyleen zwart composietmateriaal in een zeer eenvoudige hydrothermische methode. Een als geprepareerd materiaal werd systematisch gekarakteriseerd om de morfologie en chemische samenstellingen te begrijpen. Het materiaal werd gefabriceerd als een elektrode en ladings- / ontladingskarakteriseringen in een LIB anodische halve cel werden uitgevoerd om het capaciteitsgedrag ervan op te helderen. De onderzoeken werden uitgevoerd in een conventionele knoopcelopstelling met behulp van een halfcelconfiguratie. De verkregen resultaten beschouwen het samengestelde materiaal dat is voorbereid als een veelbelovende kandidaat als een efficiënt anodemateriaal voor LIB's. Voor zover wij weten, zijn de bereikte capaciteiten van 1813 mAhg −1 met de composiet leiden het contingent van alle andere MoS2 -familie-gebaseerde materialen tot nu toe.
Nanomaterialen
- Hernieuwbare PVDF-kwaliteiten voor lithium-ionbatterijen
- MoS2 met gecontroleerde dikte voor elektrokatalytische waterstofevolutie
- Mechanische samenstelling van LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/Carbon Nanotubes met verbeterde elektrochemische prestaties voor lithium-ionbatterijen
- Eenvoudige synthese van SiO2@C-nanodeeltjes verankerd op MWNT als hoogwaardige anodematerialen voor Li-ionbatterijen
- Synthese en elektrochemische eigenschappen van LiNi0.5Mn1.5O4-kathodematerialen met Cr3+ en F− composietdoping voor lithium-ionbatterijen
- Temperatuurafhankelijke kristallisatie van MoS2-nanovlokken op grafeen-nanobladen voor elektrokatalyse
- Voorbereiding van PPy-Coated MnO2 hybride micromaterialen en hun verbeterde cyclische prestaties als anode voor lithium-ionbatterijen
- Effect van verschillende bindmiddelen op de elektrochemische prestaties van metaaloxide-anode voor lithium-ionbatterijen
- Na4Mn9O18/Carbon Nanotube-composiet als materiaal met hoge elektrochemische prestaties voor waterige natrium-ionbatterijen
- Ingesloten Si/Grafeencomposiet vervaardigd door magnesium-thermische reductie als anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen
- Een nanokristallijne Fe2O3-filmanode bereid door gepulseerde laserafzetting voor lithium-ionbatterijen