Science Bulletin封面文章：作为锂离子电池负极材料的自支撑复合材料

华中科技大学翟天佑教授课题组在Science Bulletin 2016年第3期发表封面文章，利用静电纺丝技术，一步法制得了WS₂单层或少层纳米片均匀镶嵌在碳纳米纤维的一种自支撑复合材料。该材料具有良好的柔韧性, 可以直接作为自支撑电极使用, 表现出良好的电化学综合性能。

        过渡金属硫族化合物(TMDs) MX₂ (M=W, Mo, V; X=S, Se, Te)作为一种典型的类石墨二元层状化合物, 近年来被广泛用作锂离子电池负极材料。 与石墨相比, MX₂具有更大的层间距, 更有利于锂离子的快速嵌入和脱出, 同时具有更大的理论比容量, 是一种很有潜力的锂电负极材料。

       MX₂作为锂电负极材料时，其导电性较差, 且在嵌锂脱锂过程伴随有较大的体积变化, 严重影响了它的循环和倍率性能。为了提高MX₂的电化学性能, 需要降低其颗粒尺寸, 构造少层或单层的MX_2。纳米片层的MX₂, 不仅能够缓解材料在嵌脱锂过程中的体积变化, 还使材料获得了巨大的比表面积, 为锂离子提供更多的界面储存位点。

         目前制备少层或单层MX₂的方案多是基于溶液法, 其过程相对复杂、产量低, 且在后续的收集过程中, 片层MX₂容易重聚, 限制了其应用。另一方面, 为了改善材料的导电性, 可将制得的MX₂与导电性良好的石墨烯、碳纳米管等进行复合, 用以提高其电化学性能; 然而, 这种事后复合的方法很难实现MX₂与导电材料在纳米尺度上的均匀复合。

         相比之下, 静电纺丝作为一种简单、普适且可大量制备一维纳米材料的方法, 可以同时满足以上两点。纺丝纤维中的高分子会在后续的热处理中发生碳化, 因此可以原位得到具有良好导电性的碳纤维。碳纤维的存在不仅可以增加导电性, 还可以限制MX₂颗粒的生长, 阻止MX₂纳米片的聚集堆叠, 一步实现MX₂的单片化和导电性改善的目的。

        翟天佑教授课题组利用静电纺丝技术, 成功制备出二维WS₂纳米片均匀镶嵌在碳纳米纤维的复合材料。这种均匀分散的单层或少层WS₂纳米片具有极大的比表面积和极小的尺寸, 可以提供较多的界面储锂和快速的离子和电子传输通道, 因此表现出优异的锂电性能。在100 mA/g的电流密度下, 其首次充放电比容量高达756/941 mAh/g. 通过改变热处理温度, 可以得到不同结晶程度的WS₂; 电化学测试结果表明, WS₂的结晶度升高, 容量会下降, 可能是由于低结晶性的WS₂拥有更大的比表面积, 可以为锂离子提供更多的界面储存位点。

        此外, 该静电纺丝技术制备的WS₂/碳纤维复合材料是一种自支撑的膜。这种膜具有良好的柔韧性和弯曲性, 可以直接用作锂电负极, 不需要额外添加导电剂和黏结剂; 同时表现出良好的电化学性能。这种简单的制备自支撑电极材料的方法为柔性电池电子器件的发展提供了一种契机。

本项目由国家重点基础研究发展计划(2015CB932600)、国家自然科学基金(21571073, 51302099)、教育部新世纪优秀人才计划(NCET-13-0227)、华中科技大学创新交叉重点创新团队项目和中央高校基础研究基金资助。

Science Bulletin 原文链接：

http://www.scibull.com:8080/EN/abstract/abstract510202.shtml

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