Composite MoS2/noir d'acétylène à quelques couches comme matériau d'anode efficace pour les batteries lithium-ion

Contexte

La batterie lithium-ion (LiB) est l'une des technologies de stockage d'énergie rechargeables les plus importantes utilisées dans une variété d'appareils électroniques portables tels que les ordinateurs portables et les téléphones cellulaires. Dans le scénario actuel d'augmentation de la pollution et de l'épuisement des combustibles fossiles, les perspectives de la communauté des chercheurs pour les véhicules électriques alimentés par LiB se sont améliorées. Les performances des véhicules électriques dépendent fortement des performances des LiB en termes de capacité et de cyclabilité. Le graphite, un matériau d'anode largement utilisé pour les LiB commerciaux [1], a offert de nombreuses améliorations par rapport aux anciens matériaux d'anode carbonés et Li purs. Mais, la capacité théorique limitée du graphite (372 mAhg ⁻¹ ) demande un remplacement afin d'augmenter la capacité du LiB. Il y a eu beaucoup de recherches concernant l'amélioration des matériaux d'anode pour atteindre une capacité spécifique et une cyclabilité élevées. Après l'inclusion du supermatériau « graphène » dans les LiB, la capacité atteinte s'est avérée être le double de celle du graphite [2, 3]. En cherchant d'autres alternatives, MoS₂ s'est avéré être un candidat prometteur avec une capacité élevée, une facilité de préparation et une expansion à faible volume [4]. MoS₂ s'avère impliquer dans quatre réactions de transfert d'électrons tout en hébergeant des Li-ions permettant une capacité aussi élevée que 669 mAhg ⁻¹ . Bien que le gros MoS₂ n'offre pas beaucoup de propriétés électrochimiques intéressantes pour le stockage du Li, les contre-parties nanostructurées de celui-ci offrent des propriétés plus intéressantes, recueillant ainsi le grand intérêt croissant. Bien qu'il existe peu de matériaux nanostructurés comme le carbone, le silicium [5], l'étain [6] et le dioxyde d'étain [7], le MoS₂ surpasse ceux-ci en termes de capacité tarifaire et de rétention de capacité ainsi que de viabilité économique. Malgré diverses fonctionnalités importantes, MoS₂ en tant que tel, ne peut pas être utilisé comme matériau anodique commercial dans les LiB en raison de sa faible conductivité électronique intrinsèque et de sa grande expansion et contraction après lithiation et délithiation entraînant une pulvérisation et une perte de contact électrique [8,9,10]. Ceux-ci entraînent à leur tour une cyclabilité et une dynamique médiocres du MoS₂ stockage de lithium. Diverses stratégies ont été élaborées pour éliminer ces inconvénients. Ils sont MoS₂ nanostructures aux morphologies variées, MoS₂ /hybrides polymères conducteurs [1, 11] et MoS₂ /nano composites de carbone [12,13,14]. Récemment, MoS₂ /Les matériaux en carbone se sont avérés attrayants en raison de ses capacités aussi élevées [15, 16] que 1000 à 1100 mAhg ⁻¹ . Le présent travail de recherche porte sur la préparation de nouveaux MoS₂ à quelques couches. /AB utilisant un noir de carbone bien connu mais négligé, le noir d'acétylène, comme substrat conducteur. En plus de posséder un rapport surface / volume élevé, il présente une très bonne interaction intéressante avec les électrolytes [17]. Il est également bien connu pour sa capacité de liaison et utilisé dans la préparation de bonnes encres pour fabriquer des électrodes en carbone offrant une capacité de liaison ainsi qu'une bonne conductivité électronique. L'étude démontre non seulement l'AB comme un bon substrat conducteur, mais aussi comme un meilleur matériau de nucléation pour la préparation de MoS₂ hautement cristallin à quelques couches. . La caractérisation systématique et l'application du matériau comme anode dans LiB permettent d'atteindre ~ 1813 mAhg ⁻¹ . À notre connaissance, c'est la première fois qu'un MoS à quelques couches₂ Le composite /AB a été utilisé comme matériau d'anode pour atteindre une capacité spécifique élevée.

Méthodes

Synthèse

Le MoS à quelques couches₂ /AB composite a été préparé en utilisant la méthode hydrothermale simple pot simple. Dans celui-ci, 1 mmol de Na₂ MoO₄ 2H₂ O et 5 mmol de thiourée ont été dissous dans 60 ml d'eau auxquels ont été ajoutés 100 mg de AB. Cette solution a été passée aux ultrasons pendant 30 min pour obtenir une solution homogène qui a été maintenue à 210 °C pendant 24 h dans un autoclave. Le matériau résultant a été filtré, lavé abondamment à l'eau et séché à 100 °C sous vide pendant 12 h. Généralement, avec le matériau actif, un carbone conducteur (noir d'acétylène) sera utilisé avec un liant polymère comme le fluorure de polyvinylidène pour fabriquer une encre. Dans la présente étude, AB est utilisé comme substrat conducteur et substrat de nucléation pour faire croître du MoS₂ à quelques couches. . Ainsi, l'utilisation des 10 % supplémentaires de carbone conducteur est omise dans la méthode de préparation de l'encre. En bref, MoS₂ /AB composite avec 10 % en poids de PVDF a été introduit dans un bécher, à cet alcool isopropylique, et le mélange de NMP a été ajouté pour se disperser à l'aide d'ultrasons. Une suspension uniformément dispersée a été préparée ainsi, puis elle a été enduite par pulvérisation sur une feuille de Cu. L'électrode a été séchée à 120°C sous vide pendant une nuit pour éliminer les traces de solvants utilisés. L'électrode était constituée de 0,728 mg/cm ² de matière active.

Caractérisation des matériaux

Le diagramme de diffraction du matériau a été caractérisé par une technique de diffraction des rayons X sur poudre (Smart Lab X-Ray Diffractometer, Rigaku) ​​avec un rayonnement Cu Kα (λ = 0,154 nm, sur la plage 2θ de 10°–70° avec une taille de pas de 0,005°). L'analyse élémentaire du matériau a été étudiée à l'aide de la technique de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) réalisée sur l'instrument S-Probe™ 2803. La caractérisation morphologique a été effectuée en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM) sur le modèle Hitachi H-7650. L'échantillon MET a été préparé en laissant tomber une solution méthanolique contenant un composite bien dispersé sur une grille de cuivre recouverte de carbone.

Résultats et discussion

Le diagramme de diffraction du matériau tel que préparé est illustré à la figure 1a. Le pic faible et élargi à 25° à 28° peut être attribué au carbone (002). Tous les autres pics nets et distinctifs impliquent la pureté de la phase et la haute cristallinité. Ces pics s'accordent bien avec le MoS hexagonal₂ avions [2]. Le c moyen -la hauteur d'empilement a été calculée à l'aide de l'équation de Scherrer (kλ /β cosθ ) où k est le facteur de forme, λ est la longueur d'onde des rayons X, β est la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic (002) de MoS₂ , et θ est la position de pointe. Le c calculé -la hauteur d'empilement s'est avérée être de 5 nm composée de cinq à six couches de MoS₂ . Analyse élémentaire de MoS₂ /AB composite a été réalisée en utilisant XPS. L'échantillonnage pour XPS a été réalisé en coulant le matériau sur une feuille de Cu. Le spectre de l'enquête XPS (Fig 1b) a indiqué la présence de Mo, S, C et d'une petite quantité d'O. Le rapport Mo:S a corroboré la stoechiométrie du matériau sous la forme de MoS₂ . La composition a également confirmé le MoS₂ :AB en 8:2 ; en d'autres termes, la quantité d'AB dans le composite était de 20 %. La déconvolution du pic haute résolution (Fig 1c) du molybdène a révélé deux pics à 231,3 et 228,2 eV correspondant à 3d_3/2 à 3j_1/2 de Mo(IV). L'absence de tout autre pic 3d confirme l'absence d'autres états d'oxydation supérieurs du Mo; en d'autres termes, l'absence d'oxyde de Mo était évidente. Le pourcentage d'atomes d'oxygène dans le MoS₂ /AB et AB sont identiques. Par conséquent, cet oxygène peut être attribué uniquement aux fractions fonctionnelles de AB, qui à son tour réitère l'absence de formes oxydes de Mo. Les pics de sulfure à 161 et 162,1 eV représentent le 3p_1/2 et 3p_3/2 de sulfure (Fig 1d). Ceci confirme la présence de MoS pur₂ dans le composite. Les caractéristiques morphologiques du MoS₂ /AB composites ont été étudiés en utilisant MET. La figure 2a montre la morphologie hautement interconnectée d'AB, et la figure 2b montre l'AB finement stratifié et des couches 2D transparentes comme le graphène sont exposées sur les bords. Les micrographies MET (Fig. 2c, d) montrent que le MoS₂ /AB est de nature en couches avec quelques couches de MoS₂ ainsi que la nature interconnectée de AB fonctionnant tout le long comme un fil conducteur. La morphologie du MoS₂ les couches s'avèrent être une structure en forme de fleur, et la taille des particules s'est avérée être d'environ 650 nm répartie sur un réseau d'AB. Avec cela, il est très clair que le rapport hauteur/largeur de MoS₂ par rapport à la taille des particules de AB est très élevée, ce qui fait de AB un très bon lieur conducteur. Le rapport surface/volume élevé de l'AB en fait un réseau conducteur uniforme réparti sur le MoS₂ matrice même avec seulement 20 % en poids. La figure 2d corrobore également les résultats similaires à ceux du XRD montrant cinq à six couches de MoS₂ . Comme AB s'est avéré avoir beaucoup de défauts structurels et fonctionnels, on peut s'attendre à ce que la nucléation améliorée forme des couches uniformes et plus dispersées ayant AB comme conducteur d'une colonne vertébrale. La présence d'AB restreint également considérablement la nature à quelques couches de MoS₂ du réempilage.

(un ) Diagrammes de diffraction XRD pour MoS₂ /AB et AB brut. (b ) Spectre de relevé XPS montrant la présence de Mo, S, C et O. c Spectres haute résolution du pic Mo 3d et d S 2p

Micrographies MET de a AB montrant une morphologie interconnectée. b Nature hautement stratifiée de l'AB. c MoS₂ nanocristal présentant une morphologie en forme de fleur. d Morphologie stratifiée et transparente de MoS₂ avec encart montrant une vue rapprochée de quelques couches de MoS₂ dans le composite préparé

Comprendre les performances électrochimiques du MoS₂ à quelques couches /AB composite, notamment pour étudier l'effet du MoS₂ hautement exfolié et AB à la capacité, des tests de charge-décharge galvanostatique dans un type de pile bouton conventionnel ont été effectués. La demi-cellule a été fabriquée en utilisant une feuille de Li comme cathode et comme préparé MoS₂ /AB composite comme anode séparée par un séparateur celgard®, et 0,1-M de sel LiTFSI dans EC:DEC a été utilisé comme électrolyte. La décharge de charge a été effectuée à un taux de 0,090 mA entre 2,10 et 0,03 V. La figure 3a montre les courbes de décharge de charge pour la même chose. Les courbes de décharge de charge typiques ont été observées dans le cas de MoS₂ /AB composite. Le plateau à environ 1,0 V vs Li/Li ⁺ représente l'insertion de lithium.

un Courbes de décharge de charge pour 10 cycles (à gauche) et b efficacité coulombique et capacité spécifique en fonction du nombre de cycles (à droite)

Le plateau inférieur se produisant à 0,6 V par rapport à Li/Li ⁺ peut être attribué au processus de réaction de conversion, qui implique d'abord la décomposition réversible in situ de MoS₂ en Mo métallique noyé dans un Li₂ matrice S et/ou résultant en la couche polymère de type gel à partir de l'électrodégradation de l'électrolyte. Ces deux plateaux potentiels disparaissent après les premiers cycles. Dans la courbe de délithiation, un plateau petit mais visible est observé à environ 1,7 V, et il est typique de la phase hautement cristalline du MoS₂ dans le composite. Comme le montre la figure 3a, le composite a donné une capacité de première lithiation extrêmement élevée de 4086 mAhg ⁻¹ , puis la capacité réversible s'est avérée être d'environ 1813 mAhg ⁻¹ . La figure 3b montre l'efficacité coulombienne et la capacité spécifique en fonction du nombre de cycles. Après son premier cycle, le MoS₂ L'électrode composite /AB a montré un comportement de charge/décharge réversible, présentant une capacité stable d'environ 1813 mAhg ⁻¹ avec une efficacité coulombique de> 95%. La capacité réversible du présent matériau est de 523 mAhg ⁻¹ supérieur à celui du matériel du championnat jusqu'à ce jour. Les capacités améliorées peuvent être attribuées aux facteurs suivants :(i) MoS hautement exfolié et à quelques couches₂ , (ii) effet synergique entre MoS à quelques couches₂ et AB en couches, (iii) amélioration de la lithiation et de la délithiation dues à la présence d'AB avec une capacité d'absorption élevée de l'électrolyte, et (iv) amélioration de la conductivité électronique avec l'introduction d'AB.

Conclusions

En conclusion, le présent travail de recherche comprend la préparation de nouveaux MoS à quelques couches₂ /matériau composite noir d'acétylène selon une méthode hydrothermale très simple. Un matériau tel que préparé a été systématiquement caractérisé pour comprendre la morphologie et les compositions chimiques. Le matériau a été fabriqué comme une électrode et des caractérisations de charge/décharge dans une demi-cellule anodique LIB ont été effectuées pour élucider le comportement de capacité de celle-ci. Les études ont été menées dans une configuration de pile bouton conventionnelle utilisant une configuration à demi-cellule. Les résultats obtenus envisagent le matériau composite préparé comme un candidat prometteur en tant que matériau d'anode efficace pour les LIB. À notre connaissance, les capacités atteintes de 1813 mAhg ⁻¹ avec le composite mènent le contingent de tous les autres MoS₂ -matériels familiaux jusqu'à ce jour.