MoSe2 / MXene异质结助力钠离子电池

【研究背景】
近年来，人类面临严峻的化石燃料短缺和环境危机。解决这一系列难题的最有前景的方法是开发自然资源丰富、成本低廉、环境友好、高比容量的电池。自1976年锂离子电池(LIBs)问世以来，近半个世纪以来锂离子电池行业得到了长足的发展。高比容量LIB广泛用于电动汽车，电子产品，大规模储能等。然而，地球上锂源的低含量(20ppm)限制了LIBs的大规模应用。与锂相比，岩石圈中Na/Na+的丰度约为23000 ppm，似乎取之不尽，用之不竭。同时，Na/Na+(-2.71V vs SHE)的氧化还原电位接近Li/Li+，保证了可充电电池的高能量密度。由于这些优点，钠离子电池(SIBs)正成为下一代储能设备的候选人。但Na+离子半径(1.02 Å)远大于Li+离子半径(0.76Å)。过大的离子半径阻碍了石墨等传统负极材料中Na+的嵌入/嵌出过程。这一特点也导致反应动力学缓慢，扩散势垒高。因此，当前重要的是找到适合SIB的负极材料。


【成果简介】
最近，合肥工业大学蒋阳教授与中国人民解放军国防科技大学Dabin Yu教授合作在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表一篇题目为：Ultrafast kinetics net electrode assembled via MoSe2/MXene heterojunction for high-performance sodium-ion batteries 的研究论文，该研究通过简单的水热法和热退火法制备了一种新型的MoSe2/MXene异质结组装的超快动力学网状电极。利用MoSe2与MXene之间的范德华力相互作用，有效地抑制了钠离子嵌入/嵌出过程中的体积变化，进一步大大增强了反应动力学。同时，DFT计算表明，杂化材料独特的基于MXene的净异质结构提供的高电导率和离子电导率（Na+/MXene之间较低的扩散势垒〜0.066 eV），非常有利于钠离子的运输，因此 具有出色的倍率性能和长循环能力。

【图文导读】

图1. 单层MXene和MoSe2 / MXene异质结的合成示意图

图2. a）Ti3C2Tx MXene纳米片的TEM图像 b-c）MoSe2/ MXene异质结在不同放大倍数下的FESEM图像 d-e）MoSe2/ MXene异质结在不同放大倍数下的TEM图像 f）MoSe2/ MXene异质结的HRTEM和作图分析，插图：MoSe2和MXene的HRTEM图像的晶体结构及其模拟，Mo，Se，Ti，C元素映射图

图3. a）MoSe2 / MXene异质结和MoSe2的XRD图；MoSe2 / MXene异质结的b）XPS图谱 c）Mo 3d和d）Se 3d 的高分辨率测量光谱

图4. a）MoSe2的能带结构 b）MXene的能带结构 c）MXene，MoSe2和MoSe2 / MXene异质结的能量密度 d）MoSe2/ MXene异质结的电荷密度差。单钠在e）MXene和f）MoSe2上的能量扩散路径和计算的能垒。

图5. a）MoSe2/ MXene在0.1 mVs-1的扫描速率在0.1-3 V范围内的CV曲线 b）MoSe2 / MXene在1 A g-1电流下的放电/充电曲线 c）在不同的循环电流速率下，MoSe2/MXene的充放电容量 d）MoSe2/ MXene和MoSe2在1 A g-1的电流密度下的循环性能  e）MoSe2/ MXene在2A g-1时的长循环性能。

图6. a）MoSe2 / MXene在0.1-0.8mV s-1下的CV曲线 b）对数I与对数V关系图 c）在不同扫描速率下，MoSe2 / MXene的电容容量的贡献率d）循环前MoSe2 / MXene，MXene和MoSe2的奈奎斯特图 e）在初始循环过程中以200 mA g-1的电流对MoSe2/ MXene进行GITT测试 f）计算的MoSe2/MXene的钠离子化学扩散系数。

【本文总结】
本文成功地设计合成了通过MoSe2/MXene异质结组装而成的超快动力学网络电极，极大地促进了离子/电子在氧化还原过程中的扩散和结构稳定性。作为潜在的负极材料，其具有出色的比容量，出色的倍率性能和延长的循环寿命，可充电容量可在1 A g-1时200个循环下保持434 mAh g-1的高可逆容量，并且在10 A g-1的大电流下250 mAh g-1，具有99.8％的库仑效率，进一步的离子扩散/电容过程，EIS和GITT分析进一步证明了这一点。DFT计算结果揭示了MoSe2/ MXene的改进的固有电结构以及MoSe2和MXene间的电荷转移机制。CI-neb结果清楚地证明了MoSe2/ MXene异质结的超快动力学。成功的合成策略将使MoSe2成为有前途的SIBs负极材料，并促进过渡金属双卤代烷的发展，使其成为高性能可充电电池。


文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123839
信息来源：MXene Frontier