石墨烯-过渡金属硫属化合物交替插层的薄层超结构的设计、制备及电化学储能研究

Transition-metal dichalcogenides exhibit typical two-dimensional layered structure of MX2, which can be potentially applied in lithium (sodium)-ion batteries. However, limited interlayer spacing, poor electrical conductivity, polysulfide shuttling effect and volumetric effect severely degrade the performance of electrochemical energy storage. Based on the synergetic effect of atomic interface engineering and nano-engineering, design and preparation of alternately intercalated graphene-MX2 thin-layered superstructures may overcome abovementioned issues. The superstructures facilitate rapid intercalation and extraction of ions, improved electrical conductivity of MX2, decreased volumetric change, suppressed polysulfide shuttling effect by sulfur fixation and so on. In this project, MX2 (e.g., MoS2, TiS2 and MoSe2) with high theoretical specific capacity will be carefully investigated. In terms of intercalation chemistry, alternately intercalated graphene-MX2 thin-layered superstructures will be prepared by high-pressure solvothermal method. We will carefully study the formation mechanism of superstructures, and relationship between electrochemical performance and superstructure. Based on the theoretical calculation, the mechanism of ion diffusion, enrichment, and electronic transport in these superstructures will be discussed. These results will be significant to design and prepare novel, high-performance anode materials in the future.

过渡金属硫属化合物具有MX2的二维层状结构，用于锂（钠）离子电池时具有天然的结构优势。然而，有限的层间距、导电性差、“多硫穿梭效应”、体积效应等问题严重损害其电化学储能特性。通过原子界面工程和纳米工程的协同作用，设计和制备graphene-MX2交替插层的薄层超结构预期可以解决上述问题。该超结构有利于离子的快速嵌入-脱出、丰富的容纳、体积容忍度的提高、MX2导电性的改善、通过固硫抑制“多硫穿梭效应”等特点。本项目中，我们拟以具有高理论比容量的MX2（如MoS2、TiS2和MoSe2）为研究对象，基于插层化学理论，通过特有的高压溶剂热方法，制备graphene-MX2交替插层的薄层超结构并探讨其形成机理；研究这种超结构的电化学储能性能与结构的内在关系；通过理论模拟，分析超结构中离子的扩散、富集和电子传输机理。项目研究结果对设计和制备新的高综合性能锂（钠）离子电池负极材料将具有重要的参考价值。

随着对综合性能高的化学储能设备的迫切需求，研究人员针对以锂离子电池为代表的电化学储能器件进行了大量系统的探索。本研究针对锂（钠、钾）离子电池的关键共性问题——高综合性能电极材料的设计开发，开展了较为深入的探索性研究。以具有天然层状结构的过渡金属硫属化合物（MX2）为研究对象，研究组通过化学插层和限域空间石墨化策略，开发了多种交替插层超结构的制备方法，可控制备了系列多孔单层碳-MX2（2H-MoS2、1T-MoS2、VS2等）交替插层的纳米超结构，并对这些超结构的形成机理进行了较为深入的探索。这种超结构能够有效改善电化学储能过程中的离子扩散、电荷输运、丰度存储、体积效应、循环稳定等问题，相关的理论计算也表明层间距的有效扩张能够显著降低离子在层间的扩散势垒。基于这些交替插层超结构的电极材料，在电化学储锂、钠、钾方面呈现良好的比容量、倍率、循环稳定性等特性。例如，基于电子注入和原子界面工程策略，制备了富1T-MoS2和单层碳交替插层的纳米超结构，用作钠离子电池电极材料时，100mA g-1下循环80圈仍能保持557mAh g-1的比容量；1A g-1下循环500圈后仍能保持458mAh g-1的比容量；在MoS2/m-C//NaV2(PO4)3/C钠离子全电池中，在0.5-3.7V的电压窗口下，在0.5A g-1的电流密度循环到400圈，可逆比容量仍达到215mAh g-1。此外，这种单层碳-MoS2交替插层超结构在电催化产氢和超短脉冲锁模激光方面也呈现出优异的特性。设计制备的这些超结构材料为研发高综合性能的锂（钠、钾）离子电池和其他光、电器件提供了新的思路。