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水系鋅離子電池以其低成本和高安全性而在儲能領域具有廣闊前景。然而，由于鋅離子在電極材料的嵌入/脫出過程中擴散動力學緩慢，限制了電池的發展。近期，一種經典的二維（2D）材料二硫化鉬（MoS₂）受到了研究者的廣泛關注，這是因為MoS₂具有較多的有利于離子擴散的溫和2D通道。但是，MoS₂較窄的層間距和較差的導電性導致容量和倍率性能較差，阻礙了其進一步發展。因而，仍需通過合適的結構設計來改善MoS₂的導電性并提高其容量和倍率性能。

近日，由桂林理工大學龍飛教授和華中科技大學的高義華教授課題組合作，通過簡單的溶劑熱法在還原氧化石墨烯（rGO）上原位生長了1T-MoS₂納米花，成功構建出MoS₂和rGO的穩固異質結構（MoS₂-rGO），并用于水系鋅離子電池。

圖1. MoS₂-rGO材料表征

研究人員通過X射線衍射分析、激光拉曼光譜分析、X射線光電子能譜分析、場發射掃描電鏡以及透射電鏡等表征手段研究了該異質結構的物相組成及微觀形貌。研究發現該異質結構具有迷人的特性：首先，rGO為MoS₂的生長提供了良好的平臺，并誘導生長出了豐富的金屬1T相MoS₂，提高了MoS₂正極的導電性；其次，豐富的金屬1T相MoS₂和高導電性rGO的協同作用加快了電子的傳輸；此外，MoS₂納米花在rGO上均勻生長且分散開來，有效地緩解了MoS₂的層間堆疊，為鋅離子的擴散拓寬了道路。

圖2. MoS₂-rGO的電化學性能

電化學測試結果表明，得益于上述優異的特性，在半電池中，MoS₂-rGO異質結構在0.20 A g^-1具有高達303.10 mAh g^-1的比容量，而且當電流密度增加100倍時仍有33.88 %的容量得以保留（20.00 A g^-1時比容量為102.70 mAh g^-1），顯示出較高的倍率性能。系統的異位表征測試表明了鋅離子在異質結中高度可逆的嵌入和脫出的儲能機理。密度泛函理論計算證實了MoS₂-rGO異質結相較于原始的MoS₂具有更高的導電性和更低的鋅離子擴散勢壘。最后，令人印象深刻的是，基于MoS₂-rGO異質結構的準固態水系鋅離子電池在彎曲狀態和極端溫度下也表現出穩定的電化學性能。這項工作為構建水系鋅離子電池高性能的層狀正極材料提供了借鑒。

圖3. MoS₂-rGO//Zn準固態電池在不同柔性和不同溫度下的充放電性能

論文信息

Rich 1T-MoS₂?Nanoflowers Decorated on Reduced Graphene Oxide Nanosheet for Ultra-Quick Zn²⁺?Storage

Fei Long, Junjie Shi, Qixiang Zhang, Zunyu Liu, Yixin Hou, Ke Mao, Dr. Nishuang Liu, Prof. Luying Li, Prof. Fei Long*, Prof. Yihua Gao*

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200110

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