소설 MoS2 /아세틸렌 블랙(AB) 합성물은 단일 단계 열수 방법을 사용하여 개발되었습니다. 체계적인 특성 분석을 통해 몇 겹의 초박형 MoS2가 나타났습니다. AB 표면에서 자란다. AB의 포함은 복합재의 용량을 증가시키고 1813mAhg의 방전 용량을 달성하는 것으로 밝혀졌습니다.
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배경
리튬 이온 배터리(LiB)는 노트북 및 휴대폰과 같은 다양한 휴대용 전자 장치에 사용되는 가장 중요한 충전식 에너지 저장 기술 중 하나입니다. 오염 및 화석 연료 고갈이 증가하는 현재 시나리오에서 LiB 동력원 전기 자동차(EV)에 대한 연구 커뮤니티의 전망이 높아지고 있습니다. 성능 EV는 용량 및 사이클 가능성 측면에서 LiB의 성능에 크게 의존합니다. 상업용 LiB에 광범위하게 사용되는 양극 재료인 흑연[1]은 오래된 탄소질 및 순수 Li 양극 재료에 비해 상당한 개선을 제공했습니다. 그러나 흑연의 제한된 이론 용량(372mAhg
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) LiB의 용량을 늘리기 위해 교체를 요청합니다. 높은 비용량 및 사이클성을 달성하기 위한 음극재의 개선에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. LiB에 슈퍼 물질 '그래핀'을 포함시킨 후 달성된 용량은 흑연의 2배인 것으로 밝혀졌습니다[2, 3]. 다른 대안을 찾는 동안 MoS2 고용량, 준비 용이성 및 소량 확장을 가진 유망한 후보로 밝혀졌습니다[4]. 모스2 최대 669mAhg
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용량을 가능하게 하는 리튬 이온을 호스팅하는 동안 4개의 전자 전달 반응에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. . 대량 MoS2 Li 저장을 위한 많은 흥미로운 전기화학적 특성을 제공하지 않는 동일한 나노구조 카운터 부품은 보다 흥미로운 특성을 제공하여 큰 관심을 모으고 있습니다. 탄소, 실리콘[5], 주석[6], 주석 이산화물[7]과 같은 나노구조 물질은 거의 없지만 MoS2 경제적 실행 가능성과 함께 요금 용량 및 용량 유지 측면에서 이를 능가합니다. 다양한 두드러진 기능에도 불구하고 MoS2 그 자체로 낮은 고유 전자 전도성과 리튬화 및 탈리튬화 후 큰 팽창 및 수축으로 인해 LiB의 상용 양극 재료로 사용할 수 없으며, 이로 인해 분쇄 및 전기 접촉 손실이 발생합니다[8,9,10]. 이는 차례로 MoS2의 사이클 가능성과 역동성을 저하시킵니다. 리튬 저장. 이러한 단점을 없애기 위한 다양한 전략이 시행되고 있습니다. 그들은 MoS2입니다. 다양한 형태의 나노구조, MoS2 /전도성 고분자 하이브리드 [1, 11] 및 MoS2 /카본 나노 복합재 [12,13,14]. 최근 MoS2 /carbon 재료는 1000~1100mAhg
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의 높은 용량으로 인해 매력적인 것으로 밝혀졌습니다[15, 16]. . 현재 연구 작업은 새로운 소수층 MoS2의 준비를 다룹니다. /AB 복합 재료는 잘 알려져 있지만 무시된 카본 블랙, 아세틸렌 블랙을 전도성 기판으로 사용합니다. 높은 표면적 대 부피 비율을 갖는 것과 함께 흥미롭게도 전해질과 매우 좋은 상호 작용을 나타냅니다[17]. 또한 결합력으로 잘 알려져 있으며 우수한 전자 전도성과 함께 결합력을 제공하는 탄소 전극을 만들기 위해 좋은 잉크를 제조하는 데 사용됩니다. 이 연구는 AB가 우수한 전도성 기판일 뿐만 아니라 고결정성 소수층 MoS2의 제조를 위한 더 나은 핵 생성 물질임을 보여줍니다. . LiB에서 양극으로 재료의 체계적인 특성화 및 적용으로 ~ 1813mAhg
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달성 . 우리가 아는 한, 이것은 처음으로 몇 겹의 MoS2입니다. /AB 복합재료는 높은 비용량을 달성하기 위한 양극재로 사용되었습니다.
방법
합성
몇 층의 MoS2 /AB 합성물은 손쉬운 단일 포트 열수 방법을 사용하여 제조되었습니다. 여기에 Na2 1mmol MoO4 2H2 O 및 5mmol의 thiourea를 100mg의 AB를 첨가한 60ml의 물에 용해시켰다. 이 용액을 30분 동안 초음파 처리하여 균질한 용액을 얻었으며 이 용액은 오토클레이브에서 210°C에서 24시간 동안 유지되었습니다. 생성된 물질을 여과하고 물로 철저히 세척하고 100°C에서 진공 하에 12시간 동안 건조했습니다. 일반적으로 활물질과 함께 전도성 탄소(아세틸렌 블랙)를 폴리불화비닐리덴과 같은 고분자 바인더와 함께 사용하여 잉크를 만듭니다. 본 연구에서는 AB를 전도성 기질 및 핵형성 기질로 사용하여 몇 층의 MoS2를 성장시킵니다. . 따라서 잉크 제조 방법에서 여분의 10% 전도성 탄소의 사용을 생략합니다. 간단히 말해서 MoS2 이 이소프로필알코올에 PVDF 10wt%와 함께 /AB 복합재료를 넣고 초음파를 이용하여 NMP 혼합물을 첨가하여 분산시켰다. 이렇게 하여 균일하게 분산된 슬러리를 제조한 후 Cu 호일에 스프레이 코팅하였다. 전극은 사용된 미량의 용매를 제거하기 위해 밤새 진공 하에 120°C에서 건조되었습니다. 전극은 0.728mg/cm
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로 구성되었습니다. 활성 물질의.
재료 특성
재료의 회절 패턴은 분말 X선 회절 기술(Smart Lab X-Ray Diffractometer, Rigaku)을 사용하여 Cu Kα 방사선(λ =0.154 nm, 10°–70°의 2θ 범위에 걸쳐 계단 크기로 특성화됨) 0.005°). 물질의 원소 분석은 S-Probe™ 2803 기기에서 수행된 X선 광전자 분광법(XPS) 기술을 사용하여 연구되었습니다. 형태학적 특성화는 Hitachi H-7650 모델에서 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM)을 사용하여 수행되었습니다. 탄소 코팅된 구리 그리드에 잘 분산된 합성물을 포함하는 메탄올 용액을 떨어뜨려 TEM 샘플을 준비했습니다.
결과 및 토론
준비된 재료의 회절 패턴은 그림 1a에 나와 있습니다. 25° ~ 28°에서 약하고 넓어진 피크는 탄소(002)에 할당될 수 있습니다. 다른 모든 날카롭고 독특한 피크는 상 순도와 높은 결정성을 의미합니다. 이 피크는 육각형 MoS2와 잘 일치합니다. 비행기 [2]. 평균 c -적층 높이는 Scherrer 방정식(kλ)을 사용하여 계산되었습니다. /β cosθ ) 여기서 k 모양 계수, λ 는 X선 파장, β MoS2의 (002) 피크의 절반 최대값(FWHM)의 전체 너비입니다. , 및 θ 최고 위치입니다. 계산된 c - 적층 높이는 5~6개의 MoS2 레이어로 구성된 5nm인 것으로 나타났습니다. . MoS2의 원소 분석 /AB 합성은 XPS를 사용하여 수행되었습니다. XPS에 대한 샘플링은 재료를 Cu 호일에 드롭 캐스팅하여 수행했습니다. XPS 조사 스펙트럼(그림 1b)은 Mo, S, C 및 소량의 O의 존재를 나타냅니다. Mo:S 비는 MoS2 형태인 물질의 화학양론적임을 확증했습니다. . 구성도 MoS2를 확인했습니다. :AB 8:2; 즉, 합성물에서 AB의 양은 20%였다. 몰리브덴의 고해상도 피크(그림 1c)의 디콘볼루션은 3d3/2에 해당하는 231.3 및 228.2 eV에서 두 개의 피크를 나타냈습니다. 3d1/2에서 Mo(IV). 다른 3d 피크가 없다는 것은 Mo의 다른 더 높은 산화 상태가 없다는 것을 확인시켜줍니다. 즉, Mo 산화물의 부재가 명백하였다. MoS2의 산소 원자 백분율 /AB와 AB는 동일한 것으로 확인되었습니다. 따라서 이 산소는 AB의 기능적 부분에만 기인할 수 있으며, 이는 차례로 Mo의 산화물 형태가 없음을 반복합니다. 161 및 162.1 eV에서 황화물 피크는 3p1/2를 나타냅니다. 및 3p3/2 황화물(그림 1d). 이것은 순수한 MoS2의 존재를 확인합니다 합성에서. MoS2의 형태학적 특징 /AB 합성물은 TEM을 사용하여 연구되었습니다. 그림 2a는 AB의 고도로 상호 연결된 형태를 보여주고, 그림 2b는 미세하게 적층된 AB와 투명한 2D 레이어와 같은 그래핀이 가장자리에 노출된 것을 보여줍니다. TEM 현미경 사진(그림 2c, d)은 MoS2 /AB는 몇 층의 MoS2로 구성된 계층적 특성입니다. 연결 스레드로 함께 실행되는 AB의 상호 연결된 특성과 함께. MoS2의 형태 층은 꽃과 같은 구조로 밝혀졌으며 입자 크기는 AB 네트워크에 약 650nm로 분포되어 있는 것으로 나타났습니다. 이를 통해 MoS2의 종횡비가 AB의 입자 크기와 관련하여 매우 높기 때문에 AB를 매우 우수한 전도성 링커로 만듭니다. AB의 높은 표면적 대 체적 비율은 MoS2 전체에 분포된 균일한 전도 네트워크를 만듭니다. 매트릭스는 20wt%만 있어도 됩니다. 그림 2d는 또한 MoS2의 5~6개 레이어를 보여주는 XRD와 유사한 결과를 확증합니다. . AB는 구조적, 기능적 결함이 많은 것으로 밝혀졌기 때문에 강화된 핵형성으로 AB가 척추를 전도하는 균일하고 더 분산된 층을 형성할 것으로 예상할 수 있다. AB의 존재는 또한 MoS2의 소수 계층 특성을 크게 제한합니다. 다시 쌓기에서.
<사진>
(아 ) MoS2에 대한 XRD 회절 패턴 /AB 및 원시 AB. (b ) Mo, S, C 및 O의 존재를 보여주는 XPS 조사 스펙트럼. c Mo 3d 피크 및 d의 고해상도 스펙트럼 S 2p
<그림>
a의 TEM 현미경 사진 상호 연결된 형태를 보여주는 AB. ㄴ AB의 고도로 계층화 된 특성. ㄷ 모스2 꽃과 같은 형태를 나타내는 나노 결정. d MoS2의 계층화되고 투명한 형태 MoS2의 몇 가지 레이어를 자세히 보여 주는 삽입 준비된 합성물에서
소수층 MoS2의 전기화학적 성능을 이해하려면 /AB 합성물, 특히 고도로 박리된 MoS의 효과를 연구하기 위해2 및 AB의 용량에 대해 기존의 코인 셀 유형에서 정전류 충방전 테스트를 수행했습니다. 리튬 포일을 음극으로 사용하고 준비된 MoS2로 하프 셀을 만들었습니다. /AB 합성물은 celgard® 분리막으로 분리된 양극으로, EC:DEC의 0.1-M LiTFSI 염은 전해질로 사용되었습니다. 충전 방전은 2.10~0.03V 사이의 0.090mA 속도로 수행되었습니다. 그림 3a는 이에 대한 충전 방전 곡선을 보여줍니다. MoS2의 경우 전형적인 충전 방전 곡선이 관찰되었습니다. /AB 합성. Li/Li
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대 약 1.0V의 정체 리튬의 삽입을 나타냅니다.
아 10주기(왼쪽) 및 b에 대한 충전 방전 곡선 쿨롱 효율 및 비용량 대 사이클 수(오른쪽)
Li/Li에 비해 0.6V에서 발생하는 더 낮은 안정기
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전환 반응 과정에 기인할 수 있으며, 이 과정은 먼저 MoS2의 가역적 제자리 분해를 수반합니다. Li2에 포함된 금속성 Mo로 S 매트릭스 및/또는 전해질의 전기분해로부터 겔-유사 중합체 층이 생성된다. 이러한 잠재적 안정기는 처음 몇 주기 후에 사라집니다. 탈리튬화 곡선에서 약 1.7V에서 작지만 눈에 띄는 고원이 보이며 이는 MoS2의 고결정질 상의 전형적인 현상입니다. 합성에서. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 복합 재료는 4086mAhg
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의 엄청나게 높은 첫 번째 리튬화 용량을 제공했습니다. , 가역 용량은 약 1813mAhg
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인 것으로 나타났습니다. . 그림 3b는 쿨롱 효율과 비 용량 대 사이클 수를 보여줍니다. 첫 번째 주기에 이어 MoS2 /AB 복합 전극은 가역적인 충방전 거동을 보여 약 1813mAhg
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의 안정적인 용량을 나타냈습니다.> 95%의 쿨롱 효율. 본 물질의 가역 용량은 523mAhg
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인 것으로 확인되었습니다. 지금까지 챔피언십 소재보다 높습니다. 향상된 용량은 다음 요인에 기인할 수 있습니다. (i) 고도로 박리되고 몇 층의 MoS2 , (ii) 소수층 MoS2 간의 시너지 효과 및 층상 AB, (iii) 전해질의 높은 흡수율을 갖는 AB의 존재로 인한 개선된 리튬화 및 탈리튬화, 및 (iv) AB의 도입으로 개선된 전자 전도성.
결론
결론적으로, 현재 연구 작업에는 새로운 소수층 MoS2의 준비가 포함됩니다. /아세틸렌 블랙 복합 재료를 매우 간단한 열수 방식으로 제조합니다. 준비된 재료는 형태와 화학적 조성을 이해하기 위해 체계적으로 특성화되었습니다. 이 재료는 전극으로 제작되었으며 LIB 양극 반쪽 전지의 충전/방전 특성은 동일한 용량 거동을 설명하기 위해 수행되었습니다. 연구는 하프 셀 구성을 사용하는 기존 코인 셀 설정에서 수행되었습니다. 얻어진 결과는 LIB의 효율적인 양극 재료로서 유망한 후보로 준비된 복합 재료를 예상합니다. 우리가 아는 한, 1813mAhg
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의 달성된 용량 합성과 함께 다른 모든 MoS의 파견대를 이끌고 있습니다2 - 현재까지의 가족 기반 자료.
