Hiërarchische poreuze MoS2/C-nanobolletjes zelf-geassembleerd door nanoplaten met hoge elektrochemische energieopslagprestaties

Abstract

Om de tekortkoming van de volume-uitbreiding van MoS₂ . te verhelpen als anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen (LIB's), werd een effectieve strategie ontwikkeld om hiërarchische poreuze MoS₂ te ontwerpen /koolstof nanosferen via een gemakkelijke, gemakkelijk te bedienen hydrothermische methode gevolgd door uitgloeien. FESEM- en TEM-afbeeldingen lieten duidelijk zien dat nanosferen zijn samengesteld uit ultradunne MoS₂ /C nanosheets gecoat met koolstoflaag en hebben een uitgebreide tussenlaagafstand van 0,98 nm. Als anodes voor LIB's, MoS₂ /carbon nanosferen leveren een initiële ontladingscapaciteit van 1307,77 mAh g⁻¹ bij een stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ . Bovendien een omkeerbare capaciteit van 612 mAh g⁻¹ werd zelfs verkregen bij 2 A g⁻¹ en een capaciteitsbehoud van 439 mAh g⁻¹ na 500 cycli bij 1 A g⁻¹ . De verbeterde elektrochemische prestatie wordt toegeschreven aan de hiërarchische poreuze structuur en de intercalatie van koolstof in roosterafstanden van MoS₂ , dat snelle kanalen biedt voor ionen/elektronentransport, de invloed van volumeverandering verlicht en de elektrische geleidbaarheid van de elektrode verhoogt. Ondertussen is de uitgebreide tussenlaagafstand van MoS₂ in MoS₂ /C kan de ionendiffusieweerstand verminderen en de volumetrische expansie tijdens ontlaad-/laadcycli verminderen.

Achtergrond

Hoe we onze duurzame planeet kunnen beschermen terwijl we energie ontwikkelen en gebruiken, is een groot wereldwijd probleem geworden. In de afgelopen decennia hebben lithium-ionbatterijen (LIB's) de voordelen benadrukt van een hoge energiedichtheid, een lange levensduur en milieuvriendelijkheid, wat geweldige toepassingen heeft in de opslag van hernieuwbare energie, elektronische apparaten en energievoertuigen [1, 2]. Desalniettemin hebben commerciële grafietanodes een lage theoretische specifieke capaciteit van 372 mAh g⁻¹ [3,4,5], wat ver verwijderd is van de steeds toenemende eisen voor oplaadbare batterijen met een hoge energiedichtheid. Daarom is het van groot belang om gewenste elektrodematerialen voor LIB's te ontwikkelen.

Onlangs zijn de overgangsmetaalsulfiden (Co₃ S₄ [6], SnS₂ [7], VS₂ [8], NbS₂ [9], WS₂ [10] en MoS₂ [11]) zijn beschouwd als een reeks potentiële anodematerialen vanwege hun lage kosten, hoge energiedichtheid en rijke redoxelektrochemie [12, 13]. Van deze materialen is molybdeendisulfide (MoS₂ ), een halfgeleider met een typische tweedimensionale (2D) gelaagde structuur, is het meest bestudeerde materiaal in deze familie. Belangrijker is dat de grotere afstand tussen de lagen (d = 0,62 nm) van MoS₂ dan grafiet (d = 0.34 nm) kan het proces van Li⁺ . versnellen intercalatie/extractie, met een hoge opslagcapaciteit van 670 mAh g⁻¹ [14,15,16]. Helaas is de praktische toepassing van blote MoS₂ omdat LIB's wordt gehinderd door de slechte fietsstabiliteit. Dit komt doordat de relatief lage elektronische/ionische geleidbaarheid en de elektrochemische afbraak van het actieve MoS₂ materialen als gevolg van een pendeleffect van polysulfide resulteren in capaciteitsverlies en een slechte snelheid [4, 17, 18]. Om deze uitdagingen aan te gaan, is bewezen dat het bijzonder effectief is door verschillende nanogestructureerde MoS₂ en het introduceren van de geleidende koolstofhoudende materialen [15, 19,20,21]. De essentie van de eerste is om de elektronische transmissieafstand te verkorten, terwijl de laatste tot doel heeft de algehele elektronische geleidbaarheid van het materiaal te verbeteren, de agglomeratie van MoS₂ te beperken en de stabiliteit van de elektrodestructuur behouden, bijvoorbeeld MoS₂ /grafeen [22, 23], MoS₂ /CNTs [24], MoS₂ /koolstof nanovezels [25], MoS₂ /RGO [26], enz.

Op basis van bovenstaande overwegingen richten recente onderzoeken zich vooral op het construeren van nieuwe MoS₂ /C-gebaseerde nanocomposieten, die hun respectieve voordelen volledig benutten om de fietsstabiliteit te verbeteren. Li et al. meldde een nieuwe 2D MoS₂ /C hybride nanosheet-superstructuur bestaande uit de alternatieve laag-voor-laag overlappende enkellaagse MoS₂ en mesoporeuze koolstof [4]. De unieke hybride nanosheets met perfecte MoS₂ /m-C interfacecontact resulteert in de maximalisatie van synergetische interactie. Hun groep projecteerde ook 3D-geordende macroporeuze MoS₂ /koolstof flexibele elektroden door MoS₂ . te assembleren /C nanostructuur op koolstofdoek met enkele laag MoS₂ nanosheets homogeen ingebed in de onderling verbonden koolstofwand door het gebruik van polystyreen (PS) nanosferen als de macroporiënsjabloon [17]. De flexibele elektroden vertoonden superieure fietsstabiliteit wanneer ze direct voor LIB's werden aangebracht. Zhang et al. bereikte de groei van MoS₂ nanosheets op het van polypyrrool afgeleide koolstof nanobuisjes (PCN) substraat en de coating van de buitenste koolstoflaag op de nanosheets om PCN@MoS₂ te fabriceren @carbon ingeklemde architectuur [27]. In de architectuur, ultradunne MoS₂ nanosheets zijn ingeklemd tussen holle PCN en dunne koolstoflaag. Zon et al. succesvol voorbereid 1T-MoS₂ /C-hybriden die bestaan uit kleinere MoS₂ . met minder lagen nanosheets via een gemakkelijke hydrothermische methode met een geschikt glucoseadditief [28]. De 1T-MoS₂ /C anodes leveren superieure fietsstabiliteit (behoud 870 mAh g⁻¹ na 300 cycli bij 1 A g⁻¹ ) en hoge prestaties (een omkeerbare capaciteit van 600 mAh g⁻¹ bij 10 A g⁻¹ ). De superieure elektrochemische prestatie kan worden toegeschreven aan de hogere intrinsieke geleidbaarheid van 1T-MoS₂ en dunne koolstoflagen bedekt op het oppervlak met een vergrote tussenlaagafstand van 0,94 nm. Gezien het bovenstaande is de gewijzigde MoS₂ Op /C gebaseerde nanocomposieten kunnen inderdaad de elektrochemische eigenschappen optimaliseren.

Hierin demonstreren we een gemakkelijke, eenvoudig te bedienen en zeer effectieve hydrothermische methode naar hiërarchische MoS₂ /koolstof nanosferen. De nanobolletjes zijn zelf samengesteld uit ultradun MoS₂ /C nanosheets gecoat met koolstoflaag, wat resulteert in het vormen van interne onderling verbonden kanalen en het blootleggen van meer actieve plaatsen voor elektronische/ionische transmissie en lithiumopslag. Als gevolg hiervan, wanneer gebruikt als anodemateriaal in halfcel LIB's, zal de als voorbereide open poreuze structuur van MoS₂ /C-nanobolletjes vertonen opmerkelijke lithiumopslageigenschappen, waaronder een hoge specifieke capaciteit, lange cyclusprestaties en hoge snelheidscapaciteit.

Methoden

Materiaalvoorbereiding

Synthese van MoS₂ /C

De synthese van MoS₂ /C nanosferen was gebaseerd op een eerdere procedure met modificaties [19]. Meestal 0,6 g natriummolybdaat (Na₂ MoO₄ ), 3 g thioureum (CH₄ N₂ S) en 1 g polyvinylpyrrolidon (PVP) werden onder magnetisch roeren opgelost in 30 ml gedeïoniseerd water om een uniforme oplossing te vormen. Vervolgens voegden we 0,2 g dopaminehydrochloride (DPH) toe aan het bovenstaande mengsel onder vorming van een rode suspensie. Na 30 minuten continu roeren werd de resulterende suspensie in een met teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf van 50 ml geplaatst die 18 uur op 200 ° C werd gehouden, gevolgd door natuurlijk afkoelen tot kamertemperatuur. De zwarte precipitaten werden verzameld en gewassen met gedeïoniseerd water en absolute ethanol door middel van een centrifugatiemethode en een nacht onder vacuüm bij 60°C gedroogd. Ten slotte, MoS₂ /C nanosferen werden verkregen door het calcineren van zwarte precipitaten in een argonatmosfeer bij 700 ° C gedurende 3 uur. Ter vergelijking:we kochten commerciële pure MoS₂ poeder van Aladdin.

Materiaalkarakterisering

De röntgendiffractie (XRD) patronen werden gemeten met behulp van een TD-3500 röntgendiffractometer met Cu/Ka-straling (λ = 0.15406 nm) op de 2θ bereik van 5°–80° met een scansnelheid van 4° min⁻¹ . N₂ adsorptie / desorptie-isothermen en het oppervlak van Brunauer-Emmett-Teller (BET) werden uitgevoerd door een Micromeritics ASAP 2020-analysator. De Raman-spectra werden getest op een LabRAM HR800 Raman-spectrometer uitgerust met een laserlicht van 532 nm. Het koolstofgehalte in de MoS₂ /C-nanobolletjes werden bepaald door een gelijktijdige DSC/TGA-analysator (TGA, SDT-Q600) bij een verwarmingssnelheid van 10 °C min⁻¹ van 25 tot 700 °C met een luchtstroom. De elementsamenstelling en chemische toestand van de materialen werden geëvalueerd door middel van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, Thermo VG ESCALAB 250XI). De gedetailleerde morfologieën en microstructuur van de monsters werden onderzocht met respectievelijk veldemissie-scanning-elektronenmicroscopie (FESEM, Sigma 500) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, Tecnai G2 F20).

Elektrochemische tests

De capaciteiten en cyclische eigenschappen van de voorbereide monsters werden uitgevoerd door CR2032 muntcellen geassembleerd in een met argon gevulde handschoenenkast met lithiumvel als de tegenelektrode en een Celgard 2400 microporeuze polypropyleenfilm als de separator. De werkelektroden werden verkregen door N . te mengen in -methyl-2-pyrrolidinon (NMP) oplossing, de actieve stoffen (MoS₂ /C of MoS₂ ) met geleidend additief (acetyleenzwart) en polymeerbindmiddel (PVDF) in een 8:1:1 massaverhouding om een homogene slurry te vormen. We bedekten de slurry op een koperfolie en gedroogd in een vacuümoven bij 80 ° C gedurende 4 uur. Vervolgens werden de elektroden in cirkelvormige schijven geponst en 12 uur in een vacuümoven bij 120 ° C gedroogd. 1M LiPF₆ opgelost in ethyleencarbonaat (EC) en dimethylcarbonaat (DMC) met een volumeverhouding van 1:1 werd als elektrolyt gekozen. De elektrochemische prestatie werd geïmplementeerd met behulp van een batterijtestsysteem (Neware BTS-610) in een afsnijspanningsvenster van 0,01-3 V bij verschillende stroomdichtheden. Cyclische voltammetrie (CV)-curven werden uitgevoerd op een elektrochemisch werkstation (CHI 760E) tussen 0,01 en 3 V met een scansnelheid van 0,2 mV s⁻¹ .

Resultaten en discussie

Het voorbereidingsprocesdiagram van hiërarchische poreuze MoS₂ /C nanosferen wordt getoond in Fig. 1. Na₂ MoO₄ levert molybdeenion, CH₄ N₂ S levert een zwavelbron en DPH is een koolstofbron. Polydopamine-koolstofmaterialen hebben betere elektrochemische prestaties en een betere geleidbaarheid. PVP fungeert als dispergeermiddel en stabilisator. In een hydrothermisch proces adsorbeert oppervlakteactieve PVP bij voorkeur langs MoS₂ nanograin grens, waardoor MoS₂ kristalkern anisotrope groei en vorming van MoS₂ nanobladen. Vanwege het grote specifieke oppervlak en de hoge oppervlakte-energie van MoS₂ nanosheet/koolstofprecursor, MoS₂ nanosheets zijn zelf-geassembleerd in nanosferen. Eindelijk, MoS₂ /C nanobolletjes worden bereid door calcineren in een inerte atmosfeer.

Het voorbereidingsprocesdiagram van hiërarchische poreuze MoS₂ /C nanobolletjes

Afbeelding 2a toont de XRD-patronen van commerciële MoS₂ en MoS₂ /C nanobolletjes. De patronen van commerciële MoS₂ komen overeen met de standaardkaart van hexagonaal 2H-MoS₂ (JCPDS 87-2416). De diffractie piekt bij ongeveer 2θ = 32,8° en 58,5° kunnen worden geïndexeerd naar (100) en (110) vlakken van MoS₂ in beide commerciële MoS₂ en zoals voorbereide MoS₂ /C [19, 29]. Bovendien kan het genereren van een nieuwe structuur worden bewezen door de twee nieuwe pieken in MoS₂ /C rond 2θ =-7,9° en 18,3°, die wijzen op geëxpandeerde (001) en (002) kristalvlakken [27]. De uitgebreide d-afstand wordt ook ondersteund door HRTEM-observatieresultaten (figuur 2g). De bovenstaande analyse geeft aan dat we met succes MoS₂ . hebben gesynthetiseerd /C en de deelname van DPH droegen bij aan de grotere afstand tussen de lagen. Zoals weergegeven in Afb. 1b, gebaseerd op de N₂ analyse van adsorptie/desorptie-isothermen, het BET-oppervlak van MoS₂ /C werd vastgesteld op 16,59 m² g⁻¹ . De poriegrootteverdeling (inzet van figuur 2b) berekend met behulp van de BJH-vergelijking [2] geeft een meerschalige poreuze structuur met een gemiddelde poriegrootte van 20,66 nm. Een dergelijke hiërarchische poreuze structuur zal het intieme contact tussen de elektrode en de elektrolyt en het snelle elektronen- en ionentransport vergemakkelijken, waardoor de lithiumopslagprestaties verder worden verbeterd. Zoals aangegeven in Fig. 2c, Raman-spectrum van MoS₂ /C bevestigt het bestaan en de mate van grafitisering van koolstof. Twee typische pieken gecentreerd op 384 en 407 cm⁻¹ zijn geassocieerd met E ₁ ^2g en A _1g vibratiestanden van MoS₂ [17, 29, 30], respectievelijk. Nog twee karakteristieke pieken op 1373 cm⁻¹ (D-band) en 1605 cm⁻¹ (G-band) kan direct naar de koolstoffase zijn [15, 21, 31]. Gedetailleerd kan de D-band worden verbonden met de defecte koolstof of ongeordende amorfe koolstof vanwege de sp ³ -hybridisatie op het grafietvlak, terwijl de G-band wordt toegeschreven aan kristallijne gegrafitiseerde koolstof [19, 32]. De verhouding van de intensiteit van de D-band tot de G-band wordt berekend op 0,85, wat wijst op een relatief hoge mate van grafitisering van koolstof. TGA-metingen in Fig. 2d bepalen later het koolstofgehalte in MoS₂ /C composieten. Het gewichtsverlies van 4,2% vóór 100 °C komt overeen met de verdamping van geadsorbeerd vrij water in de monsters, en een gewichtsverlies van 37,54% onthult de oxidatie van MoS₂ naar MoO₃ in de lucht [14, 15]. Vandaar dat de gewichtspercentages van geadsorbeerd water, MoS₂ en koolstof worden bepaald op respectievelijk 4,2, 64,78 en 31,02 gew.%.

een XRD-patronen van commerciële MoS₂ en MoS₂ /C nanobolletjes; b N₂ adsorptie/desorptie-isothermen en poriegrootteverdeling van MoS₂ /C nanobolletjes; c de Raman-spectra van MoS₂ /C nanobolletjes; d TGA-curve van MoS₂ /C nanobolletjes

XPS is onderzocht om de elementsamenstelling en valentietoestanden van MoS₂ . te beoordelen /C in Fig. 3a-d. Zoals weergegeven in figuur 3a, kunnen de belangrijkste elementen van Mo, S, C en O worden geïdentificeerd uit het onderzoekspatroon; O afgeleid van de zuurstofadsorptie op het oppervlak. Afbeelding 3b toont het spectrum met hoge resolutie van Mo 3d . Twee grote pieken gecentreerd op 229,8 en 233,1 eV worden toegeschreven aan Mo 3d _5/2 en Mo 3d _3/2 van Mo⁴⁺ in MoS₂ /C [19, 29]. Andere brede pieken op 227,0 eV zijn over het algemeen verbonden met S 2s . En de rest van de piek van 236,3 eV kan worden geïndexeerd naar Mo⁶⁺ geeft de vorming van C–O–Mo binding aan tussen MoS₂ en koolstof, wat consistent is met andere MoS₂ /C composieten [27, 30, 33]. Een paar karakteristieke pieken van S kunnen duidelijk worden waargenomen bij 162,5 en 163,7 eV in figuur 3c, wat overeenkomt met S 2p _3/2 en S 2p _1/2 van S²⁻ in MoS₂ [5, 21]. Het gedeconvolueerde XPS-spectrum van C 1s wordt getoond in Fig. 3d; de signalen kunnen worden aangepast aan drie pieken:de hoofdpieken gecentreerd bij 284,7 eV komen overeen met C–C, terwijl de twee pieken bij de 285,6 en 288,9 eV kunnen worden toegewezen aan respectievelijk C–O en O–C=O [14, 29, 34, 35].

XPS-spectra van MoS₂ /C nanosferen:a enquête, b Ma 3d , c S 2p , d C 1s

Zoals weergegeven in Fig. 4, onthulden FESEM- en TEM-afbeeldingen de morfologie en structuur van MoS₂ /C. De representatieve FESEM- en TEM-afbeeldingen van MoS₂ /C worden weergegeven in Fig. 4a-f, onthullende poreuze nanobolletjesstructuur samengesteld uit ultradunne MoS₂ /C nanosheets met een gemiddelde diameter van 130-200 nm. De elementaire mapping-analyse van het FESEM-district (figuur 4c) bevestigt het bestaan van Mo-, S-, C-elementen en uniforme verdeling door de composieten. Bovendien zijn de nanosheets bedekt met een dunne koolstoflaag en staan ze nauw met elkaar in contact om een nanosfeer te vormen in figuur 4e, f. Een dergelijke open poreuze structuur is gunstig voor elektronisch contact en snelle elektronenoverdracht tijdens ontladings-/laadprocessen. Afbeelding 4g toont een HRTEM-afbeelding van MoS₂ /C. Het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) indexeert een diffractiering op de polykristallijne aard van de MoS₂ (inzet van Afb. 4g).

een , b FESEM-afbeeldingen; c FESEM district elementaire mapping afbeeldingen; d –f TEM-afbeeldingen; g HRTEM-beelden en de inzet van het bijbehorende SAED-patroon van MoS₂ /C nanobolletjes

De zoals verkregen MoS₂ /C-composieten bevatten 31,02 gew.% koolstof; ter vergelijking voegen we hetzelfde gehalte aan geleidend actief koolpoeder toe aan de commerciële MoS₂ als het actieve materiaal, en meng het dan met PVDF en acetyleenzwart om de elektroden te krijgen. De twee monsters werden geassembleerd als CR2032-celanoden van het munttype om hun elektrochemische mechanisme en prestaties te evalueren. De eerste drie CV-curven van de MoS₂ /C-elektrode werden uitgevoerd over het potentiaalvenster van 0,01 tot 3,0 V met een scansnelheid van 0,2 mV s⁻¹ . Zoals te zien is in figuur 5a, worden drie reductiepieken waargenomen van 1,22 tot 0,1 V in de eerste kathodische zwaai. Een brede reductiepiek bij 0,73–1,22 V komt overeen met de insertie van Li⁺ in de MoS₂ /C en lithiëringsprocessen van MoS₂ om Li_x . te vormen MoS₂ [16, 36]. Nog twee reductiepieken gecentreerd op 0,58 V en 0,1 V kunnen worden toegeschreven aan de vorming van de vaste elektrolyt interfase (SEI) film en de reductie van Li_x MoS₂ tot respectievelijk Mo [14, 15, 25]. Voor de eerste anodische zwaai worden slechts twee opmerkelijke pieken opgemerkt bij 1,53 en 2,22 V, die worden toegeschreven aan de oxidatie van Mo tot MoS₂ fase en delithiatieprocessen van Li₂ S tot S [5, 21, 37]. In de volgende sweeps verdwijnt de reductiepiek (0,58 V) en verschuiven andere twee pieken naar 1,17 V en 1,90 V, wat wijst op een multi-lithiatieproces van MoS₂ . Met name de overlappende curven in tweede/derde sweeps betekenen de hoge omkeerbaarheid en grote fietsstabiliteit van de as-made MoS₂ /C in LIB's. De galvanostatische lading-ontlaadcurven van MoS₂ /C worden geleid tussen 0,01 en 3,0 V bij een stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ in afb. 5b. De ontstane laad-/ontlaadspanningsplatformen komen overeen met de CV-resultaten. De MoS₂ /C-elektroden leveren een ontladingscapaciteit van maar liefst 1307,77 mAh g⁻¹ en laadcapaciteit van 865,54 mAh g⁻¹ met een initiële coulomb efficiëntie (CE) van 66,18%. Bovendien zijn het ongewenste CE- en capaciteitsverlies van ongeveer 33% waarschijnlijk afkomstig van de onomkeerbare ontleding van elektrolyt en de vorming van SEI-film op het elektrodeoppervlak [5, 14]. De tweede en derde laad-/ontlaadspanningsprofielen herhalen zich met elkaar; specifieke capaciteiten zijn 845.58/879.20 mAh g⁻¹ en 836.13/810.92 mAh g⁻¹ , respectievelijk. Deze verbeterde CE onthult de elektrochemische omkeerbaarheid van MoS₂ /C anode is goed.

een CV-curven met scansnelheid 0,2 mV s⁻¹ tussen 0 en 3 V en b ontlaad-/laadprofielen bij een stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ van MoS₂ /C nanobolletjes; c de fietsprestaties van MoS₂ en MoS₂ /C nanobolletjes met een stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ voor 100 cycli; d snelheidsprestaties van twee monsters bij verschillende stroomsnelheden variëren van 0,1 tot 2 A g⁻¹ ; e langdurige cyclusprestaties van twee monsters bij een stroomdichtheid van 1 A g⁻¹ voor 500 cycli

Figuur 5c vergelijkt de fietsprestaties van de MoS₂ /C en commerciële MoS₂ anodes onder de stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ voor 100 cycli. Commerciële MoS₂ presenteert initiële laad-/ontlaadcapaciteiten van 671,70/952,52 mAh g⁻¹ , wat ver verwijderd is van de MoS₂ /C composieten (865.54/1307.77 mAh g⁻¹ ). Dit komt omdat het bestaan van koolstof in MoS₂ /C verbetert de geleidbaarheid en de oppervlakte/grensvlakopslag van Li afkomstig van de poreuze nanosfeerstructuur en de omkeerbare vorming/ontleding van polymere gelachtige film (SEI) [38]. Na 100 cycli wordt de MoS₂ /C en MoS₂ anodes tonen ontladingsspecifieke capaciteiten van 587,18 en 350 mAh g⁻¹ met een hoge CE van ongeveer 99%. Het snelheidsvermogen van twee monsters werd ook geëvalueerd bij verschillende stroomdichtheden variërend van 0,1 tot 2 A g⁻¹ in figuur 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 op 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. Bij herwaardering bij stroomdichtheid van 0,1 A g⁻¹ , de ontlaadcapaciteit bereikt snel 754 mAh g⁻¹ en blijft 876 mAh g⁻¹ na 40 cycli, wat bijna in de buurt komt van die van de eerste 10e cyclus, wat wijst op de uitstekende snelheidsprestaties en structurele stabiliteit van MoS₂ /C. Wat betreft MoS₂ , de ontladingscapaciteiten van 0,1 A g⁻¹ tot 2 A g⁻¹ na 10 cycli zijn 320 en 55 mAh g⁻¹ met enorm capaciteitsverlies ongeveer 83%. De resultaten laten zien dat de elektrische geleidbaarheid van commerciële MoS₂ is geen significante verbetering door de toevoeging van actieve kool, waardoor het effect van snel laden en ontladen niet wordt bereikt. Dit komt omdat eenvoudig fysiek mengen de elektrische geleidbaarheid van commerciële MoS₂ . niet effectief kan verbeteren , maar kan het ideale doel bereiken door koolstofcoating zoals de verkregen MoS₂ /C.

De fietsprestaties op lange termijn van twee monsters worden weergegeven 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 100e, 300e, 500e cycli. Vergeleken met de eerder gerapporteerde MoS₂ anodematerialen uit tabel 1 laten zien dat hiërarchische poreuze MoS₂ /C-nanobolletjes hebben betere elektrochemische prestaties en zullen een groot potentieel hebben om grafietanodematerialen te vervangen. Het is vermeldenswaard dat de capaciteitscurve van MoS₂ /C als geheel is relatief stabiel zonder bijzonder duidelijke achteruitgang, behalve vanaf de eerste paar cycli, wat de uitstekende stabiliteit op de lange termijn illustreert. Echter, de MoS₂ anodes lijden aan enorm capaciteitsverlies met lage ontladingscapaciteiten van 114, 109 en 138 mAh g⁻¹ in dezelfde cycli. Als gevolg hiervan, MoS₂ /C vertoont nog steeds betere elektrochemische eigenschappen dan commerciële MoS₂ , hoewel actieve kool met dezelfde relatieve gewichtsverhouding wordt geïntroduceerd in MoS₂ elektrode. Dit kan worden toegeschreven aan de volgende voordelen. I. MoS₂ /C-composieten hebben een open poreuze architectuur die de nanosfeer zelf in elkaar zet door ultradunne MoS₂ /C nanosheets gecoat met een dunne koolstoflaag, die het intieme contact tussen elektrode en de elektrolyt en snel elektronen- en ionentransport vergemakkelijken. Ondertussen is een open poreuze architectuur voordelig om interne onderling verbonden kanalen te vormen en een groter aantal actieve locaties voor elektronische/ionische transmissie en lithiumopslag bloot te leggen. II. De dunne koolstoflaag die is afgeleid van de carbonisatie van DPH kan niet alleen fungeren als een stabiele ondersteunende matrix om de aggregatie van MoS₂ te belemmeren nanosheets, maar verbeteren ook de algehele geleidbaarheid van het materiaal. III. De uitgebreide tussenlaagafstand van MoS₂ in MoS₂ /C kan de ionendiffusieweerstand verminderen en de volumetrische expansie tijdens ontlaad-/laadcycli verminderen.

Conclusies

In dit werk hebben we hiërarchische poreuze MoS₂ . gefabriceerd /koolstof nanosferen zelf geassembleerd door ultradunne MoS₂ /C nanosheets door een gemakkelijke hydrothermische methode gevolgd door gloeien. De MoS₂ . profiteert van het rationele structuurontwerp /C biedt snelle kanalen voor ionen/elektronentransport en handhaaft een hoge stabiliteit en geleidbaarheid van de hele elektrode in lithiumopslag. Verder is de intercalatie van C in de tussenlaagafstand van MoS₂ kan de volumeuitbreiding aanpassen om de integraliteit van elektrode ervoor te zorgen en elektronische geleidbaarheid te verbeteren. De as-fabricated MoS₂ /C anode bereikt hoge specifieke capaciteit (1307,77 mAh g⁻¹ bij 0,1 A g⁻¹ ), uitstekende lange fietsprestaties (439 mAh g⁻¹ bij 1,0 A g⁻¹ voor 500 cycli) en hoge snelheid (612 mAh g⁻¹ bij 2 A g⁻¹ ).