成果简介
使用过渡金属硫化物（TMSs）阳极的锂离子电池具有容量高、资源丰富和环境友好等优点，但却存在降解快和库仑效率低的问题。本文，上海电力大学彭怡婷、刘海梅教授、复旦大学 王永刚 教授等《ADVANCED SCIENCE》期刊发表名为“In Situ Encapsulation of SnS2/MoS2 Heterojunctions by Amphiphilic Graphene for High-Energy and Ultrastable Lithium-Ion Anodes”的论文，研究通过在两亲空心双石墨烯片（DGS）中原位封装 SnS2/MoS2 纳米粒子，制备了一种异质结构双金属 TMS 阳极。分层多孔 DGS 由内部亲水石墨烯和外部疏水石墨烯组成，可加速电子/离子迁移，并在膨胀和/或收缩过程中牢固保持合金微粒的完整性。
此外，从石墨化 MoS2 转化而来的催化 Mo 可以促进反应动力学，并通过形成积聚电场抑制异质表面钝化，从而增强 Sn 向 SnS2 的可逆转化。因此，SnS2/MoS2/DGS 阳极具有高重力容量和高容积容量，可实现 200 次循环，初始库仑效率高达 90%以上，并具有优异的低温性能。当商用锂（Ni0.8Co0.1Mn0.1）O2（NCM811）阴极与预石墨化 SnS2/MoS2/DGS 阳极配对时，完整电池的重力和体积能量密度分别达到 577 Wh kg-1 和 853 Wh L-1。这项工作凸显了将空间约束和原子异质表面工程结合起来以解决基于转换/合金类型的 TMS 阳极的缺点，从而构建出色的高能量 LIB 的重要性。
图文导读
图1、示意图：a) 通过在双亲性双层石墨烯内选择性生长合成 SnS2/MoS2/DGS 复合材料；b) 锂化和脱锂过程，在此过程中，复合电极具有高导电性和机械稳定性，可抵御 SnS2/MoS2 纳米粒子的大体积波动，从而保持长期循环。
图2、DGS和SnS2/MoS2/DGS复合材料的形态和结构
图3、a) MoS2/SnS2/NG 和 b) SnS2/MoS2/NG 异质结的带状结构和 DOS。c) SnS2 和 MoS2 的计算功函数。d) MoS2/SnS2/NG 异质结构的二维电子密度差分布。等面值设定为 0.0002 e/Bohr.3 e) DGS、SnS2/MoS2、MoS2/SnS2/NG 和 MoS*2/SnS2/NG 异质结的吸附模型和能量。f) MoS2/SnS2/NG 异质结构阳极用于高效锂离子存储的机理方案。h) SnS2 和 MoS2 界面以及 SnS2/MoS2 和 MoS2/SnS2/NG 异质界面的体积膨胀比比较。
图4. SnS2/MoS2/DGS 电极的电化学性能
图5、全电池的电化学性能
小结
总之，通过原位一步封装法成功制备了 SnS2/MoS2/DGS 异质结构。这种复合电极将高电子/离子电导率与形成具有低电阻和抗浓度极化能力的坚固异质界面的能力相结合，有效地适应了合金电极的巨大体积变化，并提高了 ICE（大于 90%）。通过原位表征和 DFT 计算，SnS2、MoS2 和掺杂 N 的石墨烯之间的重叠结构可以提供更多的锂离子存储位点，加速电子/离子迁移，促进界面反应动力学，从而显著提高Sn到SnS2的可逆性。得益于这些优点，SnS2/MoS2/DGS 电极在超过200次循环后可提供 1128 mAh g-1 的高容量，保持率高达 96.9%，并且具有 4.3mAh cm-2 的高面积容量。此外，当与高电压 NCM811 阴极配对时，在采用全石墨化厚度条件下，可实现具有高能量密度（577 Wh kg-1 或 847 Wh L-1）的全电池。随着基础研究对电极材料的深入探索以及与当前市场上 LIB 的对标，这种异质结构阳极有望很快实现高能量密度 LIB 的构建。
文献：https://doi.org/10.1002/advs.202405135
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