具有扩大层间距离的二维材料的插层结构可以促进质量传输，这在快速充电锂离子电池（LIB）中很有前景。然而，设计的插层结构在恶劣的工作条件下会被粉化和破坏，导致电池的整体性能下降。在这里，我们提出了一种由典型层状材料 MoS2 通过聚合物插层策略插入 N 掺杂石墨烯类碳单层 (MoS2/g-CM) 制成的插层异质结构，作为 LIB 阳极，表现出独特的可逆可重构行为。骑自行车。提出了“碳单层限制拓扑转化”的机制，并通过大量的原位/非原位表征得到了证明。 MoS2/g-CM 的插层异质结构具有可重构特性和高效的层间电子/离子传输，表现出前所未有的高达 50 A g-1 的倍率性能和出色的长循环性能。此外，所提出的基于g-CM插层的策略已扩展到MoSe2系统，还实现了插层异质结构的可重构性并提高了LIB性能，展示了其多功能性和巨大的应用潜力。
图 1. 插层异质结构的合成、可重构行为和表征。 (a) MoS2/g-CM 的合成。 (b) 示意图显示 MoS2/g-CM 插层异质结构在锂化和脱锂时的可逆重构性。 (c) MoS2/g-CM 和 MoS2 的 XRD 图谱。 (d, e) MoS2/g-CM (002) 晶格条纹的 HRTEM 图像和放大倍数。 (f) MoS2/g-CM 的 (002) d 间距的傅立叶变换。 (g, h) MoS2 (002) 晶格条纹的 HRTEM 图像和放大倍数。 (i) MoS2 的 (002) d 间距的傅立叶变换。 (j) MoS2/g-CM 和 MoS2 的拉曼光谱。 (k) MoS2/g-CM 的 STEM 图像和元素映射。
图 2. MoS2/g-CM 和 MoS2 的原子和电子结构表征。 (a) Mo K 边缘处的归一化 XANES。 (b) K 空间 k3 加权 EXAFS 拟合曲线。 (c) WT-EXAFS 图。 (d) MoS2/g-CM 和 MoS2 的 k3 加权 FT-EXAFS 曲线。 (e) S-Mo-S 和单碳层间 Mo-C/N 相互作用的示意图。
图 3.电池性能、锂扩散动力学分析和锂化过程的自由能曲线。 (a) 不同电流密度下的充放电曲线。 (b) MoS2/g-CM 和 MoS2 的倍率性能。 (c-e) MoS2/g-CM 和 MoS2 分别在 0.5、10 和 50 A g-1 下的循环性能。 （f，g）MoS2/g-CM和MoS2表面的Li扩散路径。 (h)计算出MoS2/g-CM和MoS2表面的Li扩散能垒。 (i, j) MoS2/g-CM 和 MoS2 层间的 Li 扩散路径。 (k)计算出MoS2/g-CM和MoS2层间的Li迁移能垒。 (l) EC@Li2–MoS2/g-CM 的结构，其中 Li 离子和 EC 分子一起吸附在 MoS2 的边缘。 (m) EC–Li2@MoS2/g-CM的结构，去溶剂化后，Li离子进入MoS2和g-CM的层间。 (n) EC–Li2S@MoS2–x/g-CM 的结构，其中 Li 离子与 MoS2 反应。 (x表示一个或多个S原子与Li原子结合，脱离MoS2/g-CM结构单元。) (o) Li2与MoS2和MoS2/g中的EC分子一起吸收、去溶剂化和转化的能量变化-厘米。
图 4. 原位/异位表征。 (a, b) MoS2/g-CM 和 MoS2 的原位 XRD 图谱。 (c, d) MoS2/g-CM 和 MoS2 在锂化和脱锂过程中的异位 HRTEM 图像。 (e) 碳单层限制拓扑转变的示意图，使得 MoS2/g-CM 的插层异质结构可逆重构，(f) 传统转变在锂化和脱锂过程中导致原始 MoS2 的结构损坏。
图 5. 机械模拟。 (a,b)MoS2/g-CM和MoS2的有限元模拟模型。青色矩形代表 MoS2 纳米片，插入纳米片中的白色薄层代表 g-CM。 (c, d) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同充电状态 SOC 的锂化过程中的应力-应变分布图（对于无锂状态，SOC = 0，对于完全锂化状态，SOC = 1）。蓝色代表低应力，绿黄色代表应力值逐渐增加，红色代表最大应力。 (e, f) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同 SOC 充电状态值下的最大应力的演变。 (g, h) MoS2/g-CM 和 MoS2 在不同 SOC 值下最大应变的演变。
相关科研成果由同济大学Jinhu Yang等人于2024年发表在Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.4c01550）上。原文：Reconstructable Carbon Monolayer-MoS2 Intercalated Heterostructure Enabled by Atomic Layers-Confined Topotactic Transformation for Ultrafast Lithium Storage
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c01550
转自《石墨烯研究》公众号
