轻度剥离的二硫化钼-石墨烯复合材料的电化学储锂性能

2 2 2 -1

度为 100 mA g

Fig. 5 Cycling behaviors of a commercial MoS , b slightly exfoliated MoS and c slightly exfoliated 2 2 -1

200 Se-MoS /GNS electrodes at a current density of 100 mA g 2图 6 a 商业 化 MoS , b 轻度 剥离的 MoS 和c 轻 度剥离 MoS /GNS 复 合材 料在 不同 电流 密度 下的 充放 电性 2 2 2 能。

Fig. 6 Rate capability of a commercial MoS , b slightly exfoliated MoS and c slightly exfoliated MoS /GNS 2 2 2

205 composite electrodes at different current densities

图 6 进一步 表明与商 业化 MoS 材料相比, 轻度剥离 的-MoS 以及其与 GNS 的 复合材料

2 2

具有更好的 电化学储 锂的倍率 性能, 尤其 轻度剥 离 MoS /GNS 复合材料显示了 更好的倍 率性

2

能和在不同 充放电电 流密度下 的都具有 很好的循 环稳 定性能。 图 6 显示在 500 mA/g 和 1000

210 mA/g 的充放电电流密度 下, 轻度剥离 MoS /GNS 复合材料电化学 储锂的可 逆容量分 别为 907

2

mAh/g 和 735 mAh/g , 明显大于轻度剥离 MoS 的。 轻 度剥离 MoS 电极在 500 mA/g 和 1000

2 2

mA/g 的充放电电流密度下 ,其电化 学储锂 的可逆容 量分别是 667 和 518 mAh/g 。而商业化

MoS 材料在 500 mA/g 和 1000 mA/g 的充放电电流密度下, 其电 化学储锂 可逆容量 仅仅分

2

别是 467 和 262 mAh/g , 显示了较差的 充放电倍 率性 能。 另外 图 6 还显 示当充放 电电流密 度

215 再次回到 100 mA/g 时,轻度剥离 MoS /GNS 复合材料的电化学 储锂可逆 容量能够 很快回到

2

其原来在 100 mA/g 时的容量,并在随后充放 电循环 测试中依然 保持优异 的循环稳 定性能。

但是这种情 况下 , 商业化 MoS 材料的电化学储锂 比 容量不能再 次恢复到 其原来的 值, 并在

2

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随后的充放 电循环中 容量有明 显的下降 。

220 图 7 a 商业化 MoS 和轻 度剥 离的 MoS /石墨烯样品的电化学阻抗图及其b等效电路图2 2

Fig. 7 a Nyquist plots of commercial MoS and slightly exfoliated se- MoS /GNS composite electrodes in the 2 2

frequency range from 200 KHz to 0.01 Hz; b an equivalent circuit model

of the electrode, CPE is constant phase n -1

element, Z Qj ω ,0n1CPE225 轻度剥离 MoS /GNS 复合材料电化学 储锂性能的 显 著增强主要归 因于在复合 材料石墨

2

烯的多种正 面作用效 果以及材 料的复合 结构。 石墨烯 高的电导率 和核电迁 移率不仅 可以降低

电极的内阻 吧, 而且 可以显 著增强电 极反应过 程中电 子的快速传 递能力, 大大减 低电极反 应

的 电子 转移阻 抗。 有研 究表明 与石 墨材料 相比 ,石墨烯 材料 电极的 电子 传递 能力可 以提 高

8-9 个数 量级。为 了更好地 理解轻度 剥离 MoS /GNS 复合材料电 化学储锂 性能增强 的原因,

2

230 对商业化 MoS 和轻度剥离 MoS /GNS 复合材料电极 进行了电化 学阻抗测 试。 图 7 是商 业化

2 2

MoS 和轻度剥离 MoS /GNS 复合材料电极在 充放电 10 次循环后 的电化学 阻抗谱及 其等效电

2 2

路图。 如图 7a 所示 , 电化学 阻抗 Nyquist 图在 高频区的 半圆对应于 电极的 R 和 SEI 膜的 CPE , f 1

中频区的半 圆对应于 电极的电 子转移电 阻 R 和电极与电解液界 面的 CPE , 低频区的 斜线为

ct 2

锂离子扩散 的 Warburg 阻抗。用图 7b 的等效电 路图 ,可以拟合 得到 R 和 R 。拟合结果 表

f ct

235 明轻度剥离 MoS /GNS 的电极电阻 R 和电荷迁移电 阻 R 分别是 4.57和 26.23,明显低

2 f ct

于商业化 MoS 电极的 R 9.62 ? 和 R 48.8 ? 。电 化学阻抗测 试结果表 明石墨烯 确实显著

2 f ct

降低了电极 材料的接 触电阻并 大大提高 了在电化 学脱 嵌锂过程中 电子快速 传递的能 力。 另外

石墨烯极大 的比表面 积和良好 的柔韧性 , 可以保 证轻 度剥离 MoS 在其表面的负载并保持 复

2

合材料在充 放电过程 中的稳定 , 始终 保持了复 合材料 中各组分之 间良好的 导电接触 , 提高 了

240 复合材料的 电化学储 锂容量和 充放电循 环性能的 稳定 性。 3 结论

将轻度剥离的商业化 MoS 与氧化石墨烯混合,用液相液相还原法制备了轻度剥离

2

MoS /GNS 复合纳米材料,并 对其用 XRD 、TEM 和 SEM 进行了表征。 结果表明 ,轻度剥

2

离的 MoS 层数明显减少, 其表 面出现了 很多微小 的 裂纹, 与石墨烯 复合以后 可以形成 较均

2

245 匀的复合材 料。 充放电 测试结果 显示与商 业化的 MoS 相比, 轻度剥离 MoS /GNS 复合纳米

2 2

材料显示了 更高的电 化学贮锂 可逆容量 达到 1022 mAh/g, 并具有优异的 充放电循 环性能和

显著增强的 倍率性能 。 电化 学阻抗测 试表明石 墨烯显 著降低了复 合材料电 极的电阻 , 并大 大

增强了电极 反应过程 中电子转 移的能力 。 250 [参考文献] References

[1] TARASCON J M, ARMAND M. Issues and Challenges Facing Rechargeable

Lithium Batteries [J]. Nature 2001, 414: 359-367 - 8 -