二硫化钼基异质结电极材料的构筑及其电化学性能

发布时间：2020-09-27 19:38

　　高效的能量存储技术是解决目前能源短缺问题和推动现代生活发展的基础与核心。在众多能量存储技术中,电化学能量存储系统因其较高的存储容量、高效率、高稳定性以及低成本等优势成为了目前研究的热门话题。电化学储能器件的发展离不开高性能电极材料的开发。复杂异质结材料相比于其单组分材料具有更优异的离子存储容量,因此作为电极材料而被广泛地应用于电化学储能领域。调控电极材料的异质结界面对电极材料的物理和化学性质具有较大的影响,然而,对于研究异质结界面于电极材料的电子电导性能与电化学性能之间内在联系的工作尚少,人们缺乏对其中机理的认识。在本工作中,我们设计并构筑了MoS_2/MnO_2异质结电极材料的纳米电化学储能器件,在微纳米尺度下研究该异质结电极材料的结构、物理性质与电化学性能之间的联系。本文中,首先通过简单的水热合成方法制备超长的二氧化锰纳米线(MnO_2),同时采取物理剥离法从高纯度的二硫化钼单晶块体材料中剥离出二硫化钼纳米片(MoS_2),把MnO_2纳米线和MoS_2纳米片有序地转移至硅片基底制备二硫化钼/二氧化锰异质结(MoS_2/MnO_2)电极材料。结合多种表征手段对MnO_2纳米线、MoS_2纳米片以及MoS_2/MnO_2异质结的形貌与结构进行了研究。同时,分别组装了基于MoS_2纳米片与MoS_2/MnO_2异质结的纳米电化学储能器件,对这些电极材料进行电化学性能测试,分析电极材料的容量和离子扩散速率;此外,把工作电极分别连接到MoS_2/MnO_2异质结的MoS_2与MnO_2端测试异质结的电化学性能,结合原位IV测试技术测试MoS_2/MnO_2异质结在充电和放电状态下的电子电导性能,研究异质结界面对MoS_2/MnO_2异质结电化学性能的影响,建立起材料的结构、电化学性能与电子电导性能之间的关系,分析异质结电极材料的能量储存机理。本工作得到的研究成果如下所示:(1)选用水热法制备MnO_2纳米线,随后通过旋涂法把所得的纳米线旋涂至处理好的SiO_2/Si基底表面。利用物理剥离法得到多层MoS_2纳米片,并把纳米片转移至MnO_2纳米线上,实现在微观尺度下构筑MoS_2/MnO_2异质结电极材料。结合SEM、XRD、RAMAN等表征手段对电极材料进行形貌与结构表征。(2)分别组装了基于MoS_2纳米片与MoS_2/MnO_2异质结的纳米电化学储能器件,在浓度为6 mol L~(-1)的KOH电解液中,以不同的扫速(20-200 mV s~(-1))对器件进行循环伏安测试。结果显示,MoS_2纳米片在扫速为20 mV s~(-1)的面积比容量为0.04 mAh cm~(-2)。在相同扫速下,MoS_2/MnO_2异质结在工作电极连接到MoS_2端测试所得的面积比容量为0.2 mAh cm~(-2)。而在MnO_2端测试所得的面积比容量为前者的1.5倍(0.31 mAh cm~(-2))。在MoS_2端进行测试时,MoS_2/MnO_2异质结的离子扩散速率只有9.68×10~(-6) cm~2 s~(-1),相比之下MoS_2/MnO_2异质结在MnO_2端进行测试时所得的离子扩散速率为1.28×10~(-5) cm~2 s~(-1)。(3)对MoS_2/MnO_2异质结进行了原位IV测试。结果表明,该异质结材料在初始状态下具有方向为MnO_2到MoS_2端的单向导电性质,在放电状态下转变为双向电导性质,在充电状态下恢复单向电导性质。得到的结论为该异质结电极材料具有单向电导性质,该性质主要影响了电极材料的充电过程,并造成MoS_2/MnO_2异质结在MoS_2和MnO_2端测试时的离子扩散速率不同,进而造成在不同端进行循环伏安测试所得的面积比容量相差甚大。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O646.54
【部分图文】：

电池,结构示意图,能源

短缺和环境污染问题使得人类社会的不断增加，全球对能源的需求量也在生能源(如化石能源等)难以实现长久的紧缺及其使用过程中所带来的环境求。目前，新型可再生能源如太阳能规模的开发与利用。然而这些可再生点使其在使用过程中必需依托于大规此，开发高效的能量存储技术是解决基础与核心。在众多能源存储技术中高效率、高稳定性以及低成本等优势

形貌,电极材料,迁移过程,循环时间

具有高理论容量密度的电极材料的开发与应用是实现高性能的电化学储件的关键。高容量密度性质的实现需要电极材料具备快速的离子与电子传能[9]，然而，离子在传导的过程受到了材料的晶格间距的限制，导致了缓充放电过程与快速的电极材料退化过程。目前，离子电池的正极材料主要属氧化物为主，而金属氧化物的电子电导性能较差，这使得其倍率性能收大的限制。除此之外，高能量密度的实现意味着电极材料储存离子的量最，传统单一结构成分的电极材料所具备的离子储存位点有限，同时增加电料的比表面不能实际性地提高材料存储离子的能力，这意味着仅通过优化成分电极材料的形貌很难实际性地提高其离子存储容量。在很多情况下，离子不断地在电极材料中进行嵌入和脱出，电极材料会产生氧化还原反应间相产物，同时此过程产生的体积变化会导致材料的结构坍塌，使得材料量不断衰减(图 1-2a)。因此，电极材料较低的理论容量和机械性能的衰减地限制了电池的发展(图 1-2b)[10]。

过程图,材料制备,异质结,一维

图 1-4 MnO/C 一维异质结材料制备过程[14]等人首先制备了 MnO 纳米线前驱体[15]，在进行有机物包覆得到具有豆荚状的碳包覆的 MnO/C 一维异质结材料(图 1内部空间，在很多程度上缓解了 MnO 在锂化过程中体积，碳包覆层起到保护内层材料的作用，解决了 MnO 的在。该材料在电流密度为 500 mA g-1下的容量能达到 1119 密度下(5Ag-1)，其容量能达到 463 mAh g-1，该性能远超于电流密度为 5 A g-1下的容量仅有 38 mAh g-1)。该材料也表，在电流密度为 2Ag-1下循环 1000 圈发生了很少的容量

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