Hiërarchisch poreuze MoS₂/C-nanobollen uit nanovellen: uitzonderlijke elektrochemische energiestopslag

Samenvatting

Om het volumeverzwelprobleem van MoS₂ als anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen (LIB's) op te lossen, is een effectieve strategie ontwikkeld voor het ontwerp van hiërarchisch poreuze MoS₂/koolstof-nanobollen via een eenvoudige, gemakkelijk uit te voeren hydrothermale methode gevolgd door anealing. FESEM- en TEM-beelden tonen duidelijk dat de nanobollen samengesteld zijn uit ultra-dunne MoS₂/C-nanovellen bedekt met een koolstoflaag en over een uitgebreide interlaafstand van 0,98 nm beschikken. Als anoden voor LIB's leveren de MoS₂/koolstof-nanobollen een initiële ontladingscapaciteit van 1307,77 mAh g⁻¹ bij een stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹. Bovendien werd een herstelbare capaciteit van 612 mAh g⁻¹ behaald zelfs bij 2 A g⁻¹ en een capaciteitsbehoud van 439 mAh g⁻¹ na 500 cycli bij 1 A g⁻¹. De verbeterde elektrochemische prestaties worden toegeschreven aan de hiërarchisch poreuze structuur en de intercalatie van koolstof in het rooster van MoS₂, wat snelle kanalen voor ionen/electrontransport biedt, de invloed van volumeverandering vermindert en de elektrische geleiding van de elektrode verbetert. Tegelijkertijd verlaagt de uitgebreide interlaafstand van MoS₂ in MoS₂/C de iondiffusieweerstand en verlicht de volumetrische expansie tijdens ontladings/oplaadcycli.

Achtergrond

Het beschermen van onze duurzame planeet tijdens de ontwikkeling en het gebruik van energie is een belangrijk wereldwijd vraagstuk. In de afgelopen decennia benadrukken lithium-ionbatterijen (LIB's) de voordelen van hoge energiedichtheid, lange levensduur en milieucompatibiliteit, met grote toepassingen in hernieuwbare energiestopslag, elektronische apparaten en elektrische voertuigen. Commerciële graafietanoden vertonen echter een lage theoretische specifieke capaciteit van 372 mAh g⁻¹, wat ver af ligt van de steeds groeiende eisen aan hoge-energiedichtheid herlaadbare batterijen. Het is daarom van groot belang om gewenste elektrodematerialen voor LIB's te ontwikkelen.

Onlangs worden overgangsmetaalsulfiden (Co₃S₄, SnS₂, VS₂, NbS₂, WS₂ en MoS₂) beschouwd als potentiële anodematerialen vanwege hun lage kosten, hoge energiedichtheid en rijke redox-elektrochemie. Onder deze materialen is molybdeen disulfide (MoS₂), een halfgeleider met een typische tweedimensionale (2D) gelaagde structuur, het best bestudeerde materiaal in deze familie. De grotere interlaafstand (d = 0,62 nm) van MoS₂ ten opzichte van graafiet (d = 0,34 nm) kan het proces van Li⁺-intercalatie/extractie versnellen, wat resulteert in een hoge opslagcapaciteit van 670 mAh g⁻¹. Helaas wordt de praktische toepassing van puur MoS₂ als LIB's belemmerd door slechte cyclusstabiliteit. Dit komt door de relatief lage elektronische/ionische geleidbaarheid en de elektrochemische degradatie van het actieve MoS₂-materiaal als gevolg van een polysulfide-shuttle-effect, wat leidt tot capaciteitsverlies en slechte snelheidsprestaties. Om deze uitdagingen aan te pakken, is het effectief gebleken om verschillende nanogestructureerde MoS₂ te ontwerpen en geleidende koolstofhoudende materialen te introduceren. De essentie van de eerste benadering is het verkorten van de elektronische transmissieafstand, terwijl de tweede erop gericht is de algehele elektronische geleidbaarheid te verbeteren, de agglomeratie van MoS₂ te remmen en de structurele stabiliteit van de elektrode te behouden, bijvoorbeeld MoS₂/grafeen, MoS₂/CNT's, MoS₂/koolstofnanovezels, MoS₂/RGO, etc.

Op basis van bovenstaande overwegingen richten recente onderzoeken zich voornamelijk op het construeren van nieuwe MoS₂/C-gebaseerde nanocomposieten, waarbij optimaal gebruik wordt gemaakt van hun respectieve voordelen om de cyclusstabiliteit te verbeteren. Li et al. rapporteerden een nieuwe 2D MoS₂/C-hybride nanovelsuperstructuur bestaande uit afwisselende laag-voor-laag overlappende enkelvoudige MoS₂- en mesoporeuze koolstoflagen. De unieke hybride nanovellen met perfecte MoS₂/m-C-interfacecontact resulteren in de maximalisatie van synergistische interactie. Hun groep realiseerde ook 3D geordende macroporeuze MoS₂/koolstof-flexibele elektroden door MoS₂/C-nanostructuren op koolstofdoek te monteren met enkele-lagen MoS₂-nanovellen homogene ingesloten in de geïntegreerde koolstofwand via het gebruik van polystyreen (PS) nanobollen als macroporeus template. De flexibele elektroden vertoonden superieure cyclusstabiliteit bij directe toepassing voor LIB's. Zhang et al. realiseerden de groei van MoS₂-nanovellen op polypyrrol-afgeleide koolstofnanotubes (PCN) substraat en de coating van een buitenste koolstoflaag op de nanovellen om een PCN@MoS₂@koolstof-gesandwichte architectuur te fabriceren. In deze architectuur zijn ultradunne MoS₂-nanovellen ingeperkt tussen holle PCN en een dunne koolstoflaag. Sun et al. synthetiseerden met succes 1T-MoS₂/C-hybriden die bestaan uit kleinere en minderlagen MoS₂-nanovellen via een eenvoudige hydrothermale methode met een geschikte glucose-toevoeging. De 1T-MoS₂/C-anoden leveren superieure cyclusstabiliteit (behouden 870 mAh g⁻¹ na 300 cycli bij 1 A g⁻¹) en hoge snelheidsprestaties (een herstelbare capaciteit van 600 mAh g⁻¹ bij 10 A g⁻¹). De superieure elektrochemische prestaties kunnen worden toegeschreven aan de hogere intrinsieke geleidbaarheid van 1T-MoS₂ en dunne koolstoflagen bedekt op het oppervlak met een vergrote interlaafstand van 0,94 nm. Gegeven het bovenstaande kunnen de gewijzigde MoS₂/C-gebaseerde nanocomposieten de elektrochemische eigenschappen inderdaad optimaliseren.

Hier demonstreren we een eenvoudige, gemakkelijk uit te voeren en hoog effectieve hydrothermale methode voor hiërarchische MoS₂/koolstof-nanobollen. De nanobollen zijn zelf-samengesteld uit ultra-dunne MoS₂/C-nanovellen bedekt met een koolstoflaag, wat resulteert in de vorming van interne geïntegreerde kanalen en het blootleggen van meer actieve plaatsen voor elektronisch/ionisch transport en lithiumopslag. Als gevolg hiervan toont de als-gemaakte open poreuze structuur van MoS₂/C-nanobollen opmerkelijke lithiumopslageigenschappen wanneer gebruikt als anodemateriaal in half-cel LIB's, inclusief hoge specifieke capaciteit, lange cyclusprestaties en snelle snelheidsprestaties.

Methoden

Materiaalbereiding

Synthese van MoS₂/C

De synthese van MoS₂/C-nanobollen was gebaseerd op een eerdere procedure met modificaties. Typisch werden 0,6 g natriummolybdaat (Na₂MoO₄), 3 g thioureum (CH₄N₂S) en 1 g polyvinylpyrrolidon (PVP) opgelost in 30 ml gedemineraliseerd water met magnetische roering om een uniforme oplossing te vormen. Vervolgens werd 0,2 g dopaminehydrochloride (DPH) aan de bovenstaande mengsel toegevoegd, wat een rode suspensie vormde. Na 30 minuten continue roering werd de resulterende suspensie in een 50-ml Teflon-gevoerde roestvrijstalen autoklaaf gebracht en 18 uur bij 200 °C gehouden, gevolgd door natuurlijke afkoeling tot kamertemperatuur. De zwarte neerslagen werden verzameld en gewassen met gedemineraliseerd water en absolute ethanol door centrifugatie, en gedroogd onder vacuum bij 60 °C over nacht. Ten slotte werden MoS₂/C-nanobollen verkregen door calcinatie van de zwarte neerslagen in argonatmosfeer bij 700 °C gedurende 3 uur. Ter vergelijking werd commercieel puur MoS₂-poeder gekocht van Aladdin.

Materiaalcharacterisatie

Röntgendiffractie (XRD) patronen werden gemeten met een TD-3500 Röntgendiffractometer met Cu/Kα-straling (λ = 0,15406 nm) in het 2θ-bereik van 5°–80° met een scansnelheid van 4° min⁻¹. N₂-adsorptie/desorptie-isothermen en Brunauer-Emmett-Teller (BET) oppervlakte werden uitgevoerd met een Micromeritics ASAP 2020 analyzer. Raman-spectra werden getest op een LabRAM HR800 Raman-spectrometer uitgerust met een laserlicht van 532 nm. De koolstofinhoud in de MoS₂/C-nanobollen werd bepaald door een gelijktijdige DSC/TGA-analyzer (TGA, SDT-Q600) bij een verwarmingssnelheid van 10 °C min⁻¹ van 25 tot 700 °C met een luchtstroom. De elementaire samenstelling en chemische toestand van de materialen werden geëvalueerd door Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, Thermo VG ESCALAB 250XI). De gedetailleerde morphologie en microstructuur van de monsters werden onderzocht met veldemissie-scanning elektronenmicroscopie (FESEM, Sigma 500) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, Tecnai G2 F20), respectievelijk.

Elektrochemische tests

De capaciteiten en cycluseigenschappen van de als-gemaakte monsters werden uitgevoerd door CR2032-muntceltypen gemonteerd in een argon-gevulde handschoenenkast met lithiumfolie als countelektrode en een Celgard 2400 microporeus polypropyleen film als scheider. De werkende elektroden werden verkregen door mengen in N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) oplossing, de actieve materialen (MoS₂/C of MoS₂) met geleidende toevoeging (aceteenblack) en polymere binder (PVDF) in een massa-verhouding van 8:1:1 om een homogene slurry te vormen. De slurry werd gecoat op een koperfolie en gedroogd in een vacuumoven bij 80 °C gedurende 4 uur. Vervolgens werden de elektroden uitgepund in cirkelvormige schijven en gedroogd in een vacuumoven bij 120 °C gedurende 12 uur. 1M LiPF₆ opgelost in ethyleencarbonaat (EC) en dimethylcarbonaat (DMC) met een volumeverhouding van 1:1 werd geselecteerd als elektrolyt. De elektrochemische prestaties werden geïmplementeerd met een batterijtestsystem (Neware BTS-610) in een afsnijspanningsvenster van 0,01–3 V bij verschillende stroomdichtheden. Cyclische voltammetrie (CV) kurven werden uitgevoerd op een elektrochemische werkstation (CHI 760E) tussen 0,01 en 3 V met een scansnelheid van 0,2 mV s⁻¹.

Resultaten en discussie

Het bereidingsprocesdiagram van hiërarchisch poreuze MoS₂/C-nanobollen is weergegeven in Fig. 1. Na₂MoO₄ levert molybdeen-ionen, CH₄N₂S verschaft zwavelbron, en DPH is koolstofbron. Polydopamine-koolstofmaterialen hebben betere elektrochemische prestaties en geleidbaarheid. PVP fungeert als dispersie- en stabilisatiemiddel. In het hydrothermale proces adsorbeert surfactant PVP preferentieel langs de MoS₂-nanokorrelgrens, wat anisotrope groei van MoS₂-kristallisatiekernen veroorzaakt en MoS₂-nanovellen vormt. Vanwege de grote specifieke oppervlakte en hoge oppervlakte-energie van MoS₂-nanovel/koolstof-precursor, monteren MoS₂-nanovellen zichzelf tot nanobollen. Ten slotte worden MoS₂/C-nanobollen bereid door calcinatie in inerte atmosfeer.

Figuur 2a toont de XRD-patronen van commercieel MoS₂ en MoS₂/C-nanobollen. De patronen van commercieel MoS₂ zijn consistent met de standaardkaart van hexagonale 2H-MoS₂ (JCPDS 87-2416). De diffractiepieken bij ongeveer 2θ = 32,8° en 58,5° kunnen worden geïndexeerd naar (100) en (110) kristalvlakken van MoS₂ in zowel commercieel MoS₂ als als-gemaakte MoS₂/C. Bovendien kan de generatie van een nieuwe structuur worden bewijzen door de twee nieuwe pieken in MoS₂/C rond 2θ = 7,9° en 18,3°, die wijzen naar uitgebreide (001) en (002) kristalvlakken. De uitgebreide d-afstand wordt ook ondersteund door HRTEM-waarnemingsresultaten (Fig. 2g). De bovenstaande analyse geeft aan dat we MoS₂/C met succes hebben gesynthetiseerd en de participatie van DPH heeft bijgedragen aan de uitgebreide interlaafstand. Zoals getoond in Fig. 1b, op basis van N₂-adsorptie/desorptie-isothermenanalyse, werd de BET-oppervlakte van MoS₂/C geconcludeerd op 16,59 m² g⁻¹. De poriegrootteverdeling (inset van Fig. 2b) berekend met de BJH-vergelijking presenteert een multi-schaal poreuze structuur met een gemiddelde poriegrootte van 20,66 nm. Zulke hiërarchisch poreuze structuur zal de intieme contact tussen elektrode en elektrolyt en snelle elektron- en iontransport faciliteren, waardoor de lithiumopslagprestaties verder verbeteren. Zoals aangegeven in Fig. 2c, bevestigt het Raman-spectrum van MoS₂/C het bestaan en de grafitiseringsgraad van koolstof. Twee typische pieken gecentreerd op 384 en 407 cm⁻¹ zijn geassocieerd met E₁²g en A₁g trillingsmodi van MoS₂, respectievelijk. Nog twee kenmerkende pieken gelegen op 1373 cm⁻¹ (D-band) en 1605 cm⁻¹ (G-band) kunnen worden toegeschreven aan koolstoffase. Gedetailleerd kan de D-band worden verbonden met defecte koolstof of ongestructureerde amorfe koolstof door sp³-hybridisatie op het grafietvlak, terwijl de G-band wordt toegeschreven aan kristallijne gegrafiteerde koolstof. De verhouding van de intensiteit van D-band tot G-band wordt berekend op 0,85, wat een relatief hoge grafitiseringsgraad van koolstof suggereert. TGA-metingen in Fig. 2d bevestigen de koolstofinhoud in MoS₂/C-composieten. Het gewichtsverlies van 4,2% voor 100 °C komt overeen met de verdamping van geadsorbeerd vrij water in de monsters, en 37,54% gewichtsverlies onthult de oxidatie van MoS₂ tot MoO₃ in lucht. Daarom worden de gewichtspercentages van geadsorbeerd water, MoS₂ en koolstof bepaald op respectievelijk 4,2, 64,78 en 31,02 wt%.

XPS werd onderzocht om de elementaire samenstelling en valentietoestanden van MoS₂/C te beoordelen in Fig. 3a–d. Zoals getoond in Fig. 3a, kunnen de hoofdelementen Mo, S, C en O geïdentificeerd worden uit het overzichtspatroon; O afgeleid van zuurstofadsorptie op het oppervlak. Figuur 3b toont het hoge-resolutie spectrum van Mo 3d. Twee grote pieken gecentreerd op 229,8 en 233,1 eV worden toegeschreven aan Mo 3d₅/₂ en Mo 3d₃/₂ van Mo⁴⁺ in MoS₂/C. Een andere brede piek gelegen op 227,0 eV is doorgaans verbonden met S 2s. De overige piek op 236,3 eV kan worden geïndexeerd naar Mo⁶⁺ wat de vorming van C–O–Mo-binding tussen MoS₂ en koolstof aangeeft, consistent met andere MoS₂/C-composieten. Een karakteristiek paar pieken van S kan duidelijk waargenomen worden op 162,5 en 163,7 eV in Fig. 3c, corresponderend met S 2p₃/₂ en S 2p₁/₂ van S²⁻ in MoS₂. Het gedeconvoleerde XPS-spectrum van C 1s is weergegeven in Fig. 3d; de signalen kunnen worden gefit aan drie pieken: De hoofdpieken gecentreerd op 284,7 eV corresponderen met C–C, terwijl de twee pieken op 285,6 en 288,9 eV kunnen worden toegewezen aan C–O en O–C=O, respectievelijk.

Zoals afgebeeld in Fig. 4, onthullen FESEM- en TEM-beelden de morfologie en structuur van MoS₂/C. De representatieve FESEM- en TEM-beelden van MoS₂/C worden weergegeven in Fig. 4a–f, wat poreuze nanobolstructuren onthult samengesteld uit ultra-dunne MoS₂/C-nanovellen met een gemiddelde diameter van 130–200 nm. De FESEM-districtse elementaire mapping-analyse (Fig. 4c) bevestigt het bestaan van Mo, S, C elementen en uniforme verdeling doorheen de composieten. Bovendien zijn de nanovellen bedekt met een dunne koolstoflaag en contacteren ze nauw met elkaar om een nanobol te vormen in Fig. 4e, f. Zulke open poreuze structuur is gunstig voor elektronisch contact en snelle elektronenoverdracht tijdens ontladings/oplaadprocessen. Figuur 4g toont een HRTEM-beeld van MoS₂/C. Het geselecteerde gebied elektronen-diffractie (SAED) patroon indexeert een diffractiering naar de polykristallijne aard van MoS₂ (inset van Fig. 4g).

De als-verkregen MoS₂/C-composieten bevatten 31,02 wt% koolstof; ter vergelijking voegen we dezelfde inhoud aan geleidend geactiveerd koolstofpoeder toe aan commercieel MoS₂ als actief materiaal, en mengen het dan met PVDF en aceteenblack om de elektroden te verkrijgen. De twee monsters werden gemonteerd als CR2032-muntceltypen anoden om hun elektrochemische mechanisme en prestaties te evalueren. De eerste drie CV-kurven van de MoS₂/C-elektrode werden uitgevoerd over het potentieelvenster van 0,01 tot 3,0 V met een scansnelheid van 0,2 mV s⁻¹. Zoals te zien is in Fig. 5a, worden drie reductiepieken waargenomen van 1,22 tot 0,1 V in de eerste cathodische sweep. Een brede reductiepiek gelegen op 0,73–1,22 V correspondeert met de insertie van Li⁺ in de MoS₂/C en lithiatieprocessen van MoS₂ om LiₓMoS₂ te vormen. Nog twee reductiepieken gecentreerd op 0,58 V en 0,1 V kunnen worden toegeschreven aan de generatie van het vaste elektrolyt-interfase (SEI) film en de reductie van LiₓMoS₂ tot Mo, respectievelijk. Voor de eerste anodische sweep worden slechts twee opvallende pieken opgemerkt op 1,53 en 2,22 V, welke toegewezen worden aan de oxidatie van Mo tot MoS₂-fase en delithiatieprocessen van Li₂S tot S. In de volgende sweeps verdwijnt de reductiepiek (0,58 V) en verschuiven de andere twee pieken naar 1,17 V en 1,90 V, wat een multi-lithiatieproces van MoS₂ aangeeft. Merk op dat de overlappende kurven in tweede/derde sweeps de hoge reversibiliteit en grote cyclusstabiliteit van de als-gemaakte MoS₂/C in LIB's betekenen. De galvanostatische lading-ontladingskurven van MoS₂/C worden uitgevoerd tussen 0,01 en 3,0 V bij de stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ in Fig. 5b. De ontstane lading/ontladings-spanningsplatforms zijn in overeenstemming met de CV-resultaten. De MoS₂/C-elektroden leveren een ontladingscapaciteit van zo hoog als 1307,77 mAh g⁻¹ en een laadcapaciteit van 865,54 mAh g⁻¹ met een initiële coulombische efficiëntie (CE) van 66,18%. Bovendien ontstaan de ongunstige CE en capaciteitsverlies van ongeveer 33% waarschijnlijk uit de irreversibele decompositie van elektrolyt en de generatie van SEI-film op het elektrode-oppervlak. De tweede en derde lading/ontladings-spanningsprofielen herhalen elkaar; specifieke capaciteiten zijn 845,58/879,20 mAh g⁻¹ en 836,13/810,92 mAh g⁻¹, respectievelijk. Deze verbeterde CE onthult dat de elektrochemische reversibiliteit van MoS₂/C-anode goed is.

Figuur 5c vergelijkt de cyclusprestaties van de MoS₂/C- en commerciële MoS₂-anoden onder de stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ voor 100 cycli. Commercieel MoS₂ presenteert initiële lading/ontladings specifieke capaciteiten van 671,70/952,52 mAh g⁻¹, wat ver af ligt van de MoS₂/C-composieten (865,54/1307,77 mAh g⁻¹). Dit komt doordat het bestaan van koolstof in MoS₂/C de geleidbaarheid verbetert en de oppervlakte/interface-opslag van Li afkomstig van de poreuze nanobolstructuur en de reversibele vorming/decompositie van polymere gel-achtige film (SEI). Na 100 cycli tonen de MoS₂/C- en MoS₂-anoden ontladings-specifieke capaciteiten van 587,18 en 350 mAh g⁻¹ met hoge CE van ongeveer 99%. De snelheidsprestaties van twee monsters werden ook geëvalueerd bij verschillende stroomdichtheden variërend van 0,1 tot 2 A g⁻¹ in Fig. 5d. De MoS₂/C behoudt hoge ontladingscapaciteiten bij hogere stroomdichtheden: 878 mAh g⁻¹ bij 0,1 A g⁻¹, 806 mAh g⁻¹ bij 0,2 A g⁻¹, 733 mAh g⁻¹ bij 0,5 A g⁻¹, 673 mAh g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, 633 mAh g⁻¹ bij 1,5 A g⁻¹ en 612 mAh g⁻¹ bij 2 A g⁻¹ na 10 cycli. Wanneer hergeëvalueerd bij stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹, bereikt de ontladingscapaciteit snel 754 mAh g⁻¹ en blijft 876 mAh g⁻¹ na 40 cycli, wat bijna dichtbij de eerste 10e cyclus ligt, wat de uitstekende snelheidsprestaties en structurele stabiliteit van MoS₂/C suggereert. Wat commercieel MoS₂ betreft, zijn de ontladingscapaciteiten van 0,1 A g⁻¹ tot 2 A g⁻¹ na 10 cycli 320 en 55 mAh g⁻¹ met enorme capaciteitsverlies van ongeveer 83%. De resultaten onthullen dat de elektrische geleidbaarheid van commercieel MoS₂ geen significante verbetering vertoont door de toevoeging van geactiveerd koolstof, waardoor het effect van snelle lading en ontlading niet bereikt wordt. Dit komt doordat eenvoudige fysieke menging de elektrische geleidbaarheid van commercieel MoS₂ niet effectief kan verbeteren, maar wel kan worden bereikt door koolstofcoating als bij de als-verkregen MoS₂/C.

De lange-termijn cyclusprestaties van twee monsters worden getoond in Fig. 5e bij een grote stroomdichtheid van 1,0 A g⁻¹. Om elektroden te activeren, worden de cellen getest bij een lage stroomdichtheid van 0,05 A g⁻¹ voor de eerste twee cycli. De MoS₂/C vertoont hoge ontladingscapaciteiten van 515, 443 en 439 mAh g⁻¹ bij 1,0 A g⁻¹ voor respectievelijk 100ste, 300ste, 500ste cycli. Vergeleken met de eerder gerapporteerde MoS₂-anodematerialen uit Tabel 1, toont dit dat hiërarchisch poreuze MoS₂/C-nanobollen betere elektrochemische prestaties hebben en ze grote potentie tonen om graafietanodematerialen te vervangen. Het is opmerkelijk dat de capaciteitscurve van MoS₂/C als geheel relatief stabiel is zonder bijzonder duidelijke daling behalve de eerste paar cycli, wat uitstekende lange-termijn cyclusstabiliteit illustreert. De MoS₂-anoden lijden echter onder enorme capaciteitsverlies met lage ontladingscapaciteiten van 114, 109 en 138 mAh g⁻¹ op dezelfde cycli. Als resultaat vertoont MoS₂/C nog steeds superieure elektrochemische eigenschappen ten opzichte van commercieel MoS₂, hoewel geactiveerd koolstof met hetzelfde relatieve gewichtsverhouding wordt geïntroduceerd in de MoS₂-elektrode. Dit kan worden toegeschreven aan de volgende voordelen. I. MoS₂/C-composieten bezitten een open poreuze architectuur waarbij de nanobollen zelf-samengesteld zijn door ultra-dunne MoS₂/C-nanovellen bedekt met een dunne koolstoflaag, wat de intieme contact tussen elektrode en elektrolyt en snelle elektron- en iontransport faciliteren. Tegelijkertijd is de open poreuze architectuur gunstig voor de vorming van interne geïntegreerde kanalen en het blootleggen van een verhoogd aantal actieve plaatsen voor elektronisch/ionisch transport en lithiumopslag. II. De dunne koolstoflaag afgeleid van carbonisatie van DPH kan niet alleen fungeren als een stabiele ondersteunende matrix om de aggregatie van MoS₂-nanovellen te verhinderen, maar ook de algehele geleidbaarheid van het materiaal verbeteren. III. De uitgebreide interlaafstand van MoS₂ in MoS₂/C kan de iondiffusieweerstand verlagen en de volumetrische expansie tijdens ontladings/oplaadcycli verlichten.

Conclusies

In dit werk hebben we hiërarchisch poreuze MoS₂/koolstof-nanobollen gefabriceerd, zelf-samengesteld door ultra-dunne MoS₂/C-nanovellen via een eenvoudige hydrothermale methode gevolgd door anealing. Dankzij de rationele structuurontwerp, biedt de MoS₂/C snelle kanalen voor ionen/electrontransport en behoudt hoge stabiliteit en geleidbaarheid van de gehele elektrode in lithiumopslag. Verder kan de intercalatie van C in de interlaafstand van MoS₂ de volumeverzwelling accommoderen om de integriteit van de elektrode te waarborgen en de elektronische geleidbaarheid te verbeteren. De als-gefabriceerde MoS₂/C-anode bereikt hoge specifieke capaciteit (1307,77 mAh g⁻¹ bij 0,1 A g⁻¹), uitstekende lange cyclusprestaties (439 mAh g⁻¹ bij 1,0 A g⁻¹ voor 500 cycli) en snelle snelheidsprestaties (612 mAh g⁻¹ bij 2 A g⁻¹).