目前的二次电池常采用的电池的容量,与其正负极材料的性质密切相关。同种对称结构的电极材料对于电化学储能装置具有很高的吸引力,但是对于可充电电池来说很难实现。本文通过调控电压窗口和电解液来完成材料的转换反应,进而组装成对称电池,提高电池的容量。

近日,中国中科院金属所的李峰和新南威尔士大学Da-Wei Wang(通讯作者)等人,开发了准对称结构的电化学性能调节方法(EAM)。这种调节可以减缓共价键过渡金属硫化物的阴阳离子对之间的转换反应;调控电压窗口和电解液来完成预设的转换反应。对于MoS2正极模型中So转换为S2-被还原,导致器件容量成数量级增长和高的循环稳定性。负极的MoS2发生可逆反应Mox+转换为Moo,形成高的容量。结合材料的正负极反应,准对称电池的组装,打开高容量电化学器件的新方向。相关成果以“A Rechargeable Quasi-symmetrical MoS2 Battery”为题发表在Joule上。

(A)Li+和金属硫化物的电化学反应及EAM过程的示意图;

(B)金属硫化物准对称电池的示意图。

图 2 调节电压窗口,稳定硫氧化还原反应和其电化学性能图

(A)1.7 V与上限压调制的2.6 V、2.5 V和3.1 V电池的容量-电压图;

(B)调控下压(截止电压)为1.7 V和1.4 V容量-电压图;

(C)影响硫氧化还原稳定性的活性窗口示意图;

(D)硫还原正极MoS2的CV曲线;

(E)在100 mA g-1下,原始MoS2和硫还原MoS2的充放电曲线;

(F)硫还原MoS2的循环性能曲线。

图 3 正极EAM的显微结构特征

(A)原始MoS2的TEM图像;

(B)EAM中0.01 V的MoS2的TEM图像;

(C)EAM中1.4 V的MoS2的TEM图像;

(D)EAM中3.1 V的MoS2的TEM图像;

(E)3.1 V和1.4 V和0.01 V电化学状态下,MoS2的XRD图谱;

(F)EAM调控硫还原MoS2正极材料的成分改变示意图。

图 4 MoS2负极和准对称电池的电化学性能图

(A)在100 mA·g-1的电流密度下,0.01 V和1.4 V的充放电曲线;

(B)全电池的循环性能曲线;

(C)不同电流密度下,0.3和2.8 V的充放电曲线;

(D)在0.3和2.8 V中,电池的循环性能曲线。

金属硫化物的EAM调控是一种合成准对称电池的有效的策略。通过调控过程,减弱金属硫化物中硫阳离子和金属阴离子,活化材料的氧化还原,采用MoS2作为正极和负极的高容量对称电池。这项工作有助于其他金属硫化物、强催化剂和含硫金属元素的化学吸附效应的探索;有助于进一步提高对称电池的容量和稳定性。另外,调控金属硫化物活性是一种有效控制其可逆性的方法。这有助于材料的制备、提高正负极材料的容量。因为转化反应的内在动力学性质,EAM的概念有助于其他金属硫化物和金属卤化物电池系统。

文献链接:A Rechargeable Quasi-symmetrical MoS2 Battery(Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.007)。