MoO2/MoS2的双界面协同设计用于提升钠/锂离子电池的电化学性能

哈尔滨工业大学宋波教授课题组Small观点：MoO2/MoS2的双界面协同设计用于提升钠/锂离子电池的电化学性能

【文章信息】

MoO2/MoS2的双界面协同设计用于提升钠/锂离子电池的电化学性能

第一作者：李小峰

通讯作者：宋波*

单位：哈尔滨工业大学

【研究背景】

作为典型的过渡金属Mo基化合物，隧道骨架的单斜MoO2和大层间距的MoS2因其具有多电子反应赋予的高理论容量、低成本以及金属电阻率低的特征，而被广泛研究并应用于锂离子电池和钠离子电池。然而，MoO2和MoS2的导电性差和结构不稳定导致其电化学反应动力学缓慢和循环稳定性差，限制了MoO2和MoS2的进一步发展。针对上述问题研究人员做了很多的改进工作。其中构筑异质界面就是一种行之有效的优化策略，不仅可以通过耦合不同带隙晶体实现稳定的纳米结构，还可以引入内置电场提升电化学反应动力学。因此预期通过设计三维连通结构的双异质界面可以显著提升Mo基电极的电化学反应动力学和结构稳定性。

【文章简介】

近日，来自哈尔滨工业大学的宋波教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Synergistically designed dual interfaces to enhance the electrochemical performance of MoO2/MoS2 in Na- and Li-ion batteries”的观点文章。该观点文章设计并合成了具有双界面的3D连通的MoO2/MoS2/C负极，从实验和理论两方面深入分析了双异质界面对电化学反应动力学和结构稳定性的积极影响。进一步研究了MoO2/MoS2/C在电化学循环过程中的反应机理和相演变。本工作为能源存储和转换领域先进电极的合理设计提供了思路。

【本文要点】

要点一：双异质界面构筑及物相表征

该工作利用简单的冷冻干燥-高温硫化法设计并合成了具有双界面的3D连通的MoO2/MoS2/C负极。利用物相表征手段揭示了负极性能的性能提升主要来自于以下几个方面：

（1）双异质界面的形成以及双异质界面处存在相互作用耦合和电子转移，证明了双异质界面存在内置电场，加速电子转移；

​（2）MoO2/MoS2与C形成的异质结中稳定的Mo-S、C-S和C-O键的形成加固了结构稳定性和有利于电子传输；

​（3）3D连通的碳泡沫骨架不仅可以为电子/离子扩散提供路径，还可以防止MoO2/MoS2团聚和缓解体积膨胀。

图1. MoO2/MoS2/C的合成和形貌表征

图2. MoO2/MoS2/C的结构表征

要点二：电化学性能表征

双异质界面和3D连通的碳泡沫骨架显著提升了MoO2/MoS2/C电极的电化学反应动力学和循环过程中的结构完整性。MoO2/MoS2/C电极显示出优异的循环稳定性和倍率性能（作为钠离子电池负极：在0.1 A g-1电流密度下循环200周后的容量保持率为90%，在1 A g-1电流密度下循环1000周后的比容量为324 mAh g-1；作为锂离子电池负极：在0.1 A g-1电流密度下循环200周后的容量保持率为89%，在1 A g-1电流密度下循环500周后的比容量为500 mAh g-1）。同时全电池也显示出稳定的循环性能。

图3. MoO2/MoS2/C的储钠性能

图4. MoO2/MoS2/C的储锂性能

要点三：机理研究

利用非原位XRD和HRTEM揭示了MoO2/MoS2/C电极插入-转换的储能机理，并伴随有MoS2由2H转1T相的相转变。

图5. MoO2/MoS2/C的储钠机理研究

要点四：理论计算研究

理论计算显示异质界面具有最低的钠离子吸附能，以及捕获钠离子的优势，从而在界面处形成钠离子扩散的通道，同时也揭示异质界面具有最低的钠离子扩散势垒，从而有利于钠离子扩散，证明双异质界面有利于加速电化学反应动力学。

图6. MoO2/MoS2的理论计算

【文章链接】

Synergistically designed dual interfaces to enhance the electrochemical performance of MoO2/MoS2 in Na- and Li-ion batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202206940

【通讯作者简介】

宋波教授简介：哈尔滨工业大学航天学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2022）。主要围绕第三代半导体碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）晶体/薄膜的生长与物理性质，磁光外延薄膜（YIG）的生长，新型二维层状纳米结构的可控制备与电化学性质开展研究。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等国际知名SCI刊物上，发表SCI论文超过150篇，他引超过5000次，获黑龙江省自然科学一等奖2项，黑龙江省高校自然科学科学一等奖2项、二等奖1项。。

个人主页： http://homepage.hit.edu.cn/songbo