川大：固態盤銑法製備MOS2 /石墨烯納米片，用於鋰離子電池

2020-09-14 材料分析與應用

本文要點：

一種低成本、高產率、可擴展的一步機械力化學盤磨方法來製備超薄、少層的MoS2/GNS複合材料


成果簡介

本文，四川大學張楚虹教授課題組在《Ind. Eng. Chem. Res》期刊發表名為「One-Step Preparation of MoS2/Graphene Nanosheets via Solid-State Pan-Milling for High Rate Lithium-Ion Batteries」的論文，開發了一種新穎的高產率一步法，通過固態平磨將商業化的塊狀MoS 2和石墨剝落製備MoS2 /石墨烯納米片（GNS）。泛銑可以用於將MoS2和石墨共剝落為幾層MoS2 / GNS異質結構，可提高MoS2層之間的電子電導率並可以降低MoS 2處的Li+擴散勢壘/ graphene接口。作為陽極材料在鋰離子電池（LIB）中，研磨10個周期的MoS 2 / GNS，在200 mAg –1的 150次循環後，展現出約654 mAh g –1的高可逆容量，並具有出色的速率容量（418mAhg– 1在2Ag –1）相比於商業MoS2 /石墨。本文所述的方法為通過剝落商業晶體材料製備二維材料和複合材料提供了一種簡單而環保的方法。

圖文導讀

圖1.研磨設備和MoS 2 / GNS 製備的示意圖。


圖2.（a）塊狀MoS 2 /石墨混合物和MoS 2 / GNS在不同研磨次數下的XRD圖譜

（b）拉曼光譜。10-MoS 2 / GNS的XPS光譜，

（c）C 1s，（d）Mo 3d和（e）S 2p光譜。

（f）10-MoS 2 / GNS的TGA曲線。


圖3.（a）塊狀MoS 2 /石墨混合物，（b）5-MoS 2 / GNS，（c）10-MoS 2 / GNS和（d）15-MoS 2 / GNS的SEM圖像。（e）針對（f）C，（g）S和（h）Mo元素的平磨10-MoS 2 / GNS的FESEM和相應的EDS映射圖像。（i）10-MoS 2 / GNS的EDS光譜。（j，k）10-MoS 2 / GNS的HRTEM圖像。


圖4.掃描時（a）塊狀MoS 2 /石墨混合物，（b）5-MoS 2 / GNS，（c）10-MoS 2 / GNS和（d）15-MoS 2 / GNS電極的CV速率為0.1 mV s –1。（e）塊狀MoS 2 /石墨混合物，（f）10-MoS 2 / GNS，（g）10-MoS 2 / GNS和（h）15-MoS 2 / GNS電極的循環恆流充/放電曲線與Li / Li +相比，在0.01至3.0 V範圍內的100 mA g –1的比電流。


圖5.（a）在不同的研磨周期下，在200 mA g –1的比電流和0.01–3.0 V的電壓範圍內，塊狀MoS 2 /石墨混合物和MoS 2 / GNS的循環穩定性。在各種特定電流下的性能。具有不同研磨周期的塊狀MoS 2 /石墨混合物和MoS 2 / GNS的奈奎斯特圖（c）循環前和（d）五個充電/放電循環後，具有擬合曲線（插圖顯示了融合的等效電路以適合實驗）。

小結

綜上所述，一種低成本、高產率、可擴展的一步機械力化學盤磨方法來製備超薄、少層的MoS2/GNS複合材料。利用獨特的盤磨設備施加的強大的三維剪切力，我們能夠實現商業MoS2和石墨的共剝離，在MoS2和石墨烯片之間形成堅固的異質界面。與原始MoS2/石墨混合物相比，pan-milling複合材料具有更高的電子電導率和更低的離子擴散勢壘。此外，當用於LIBs時，pan-milled複合電極具有較高的可逆容量、優異的循環穩定性和優異的速率性能。不僅為製備具有高質量異質界面的二維類石墨烯材料提供了一條新的實用途徑，也為其他石墨烯修飾複合材料的開發開闢了新的途徑。


張楚虹，女，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室、高分子研究所教授、博士生導師，2005年獲英國赫瑞瓦特大學材料學博士學位。國家「優秀青年科學基金」獲得者，入選教育部「新世紀優秀人才支持計劃」、成都市「諸葛精英計劃」，中國婦女第十一次全國代表大會代表。

主要從事高分子材料先進加工技術製備高分子能源材料特別是鋰離子電池關鍵材料的前沿基礎和應用研究，主持國家和省部級縱向項目10餘項，是科技部973重大科學研究計劃青年科學家專項和國際科技合作專項等重大項目首席科學家，歐盟地平線「2020計劃」項目重要成員，在石墨烯及類石墨烯二維材料的製備加工新技術、全固態鋰離子電池高性能固體電解質及3D列印柔性儲能器件等方面取得創新性成果，研究成果發表在Nature Materials、AngewandteChemie、Journal of the American Chemical Society等國際著名期刊上，參與撰寫中、英文專著2部，申請中國發明專利7項（已授權4項），獲四川省科技進步獎三等獎1項。


文獻：

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    2） 石墨烯具有優良的導電和導熱特性，即具備良好的電子傳輸通道和穩定性。 　　3） 石墨烯片層的尺度在微納米量級，遠小於體相石墨的，這使得Li+在石墨烯片層之間的擴散路徑縮短；片層間距的增大也有利於Li+的擴散傳輸，有利於鋰離子電池功率性能的提高。 　　下文主要總結了石墨烯在鋰電正負極電極材料中的應用及其優勢。
  • 石墨烯的製備方法及應用
    石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，從2006年開始，研究論文急劇增加，作為形成納米尺寸電晶體和電路的「後矽時代」的新潛力材料，旨在應用石墨烯的研發也在全球範圍內急劇增加，美國、韓國，中國等國家的研究尤其活躍。石墨烯或將成為可實現高速電晶體、高靈敏度傳感器、雷射器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等多種新一代器件的核心材料。