熱穩定高性能的鋰離子電池，你見過沒？

標籤：學科前沿

關鍵詞：鋰離子電池 磷基離子液體電解質 三維多孔MoS2/石墨烯複合物電極

由於其揮發性低、離子電導率高和電化學穩定性高等特點，離子液體在電化學的各個領域越來越受到科學家們的重視。在鋰離子電池領域，將離子液體用作電池的電解質也成為了研究的熱點。通常離子液體電解質主要由陰離子bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI)或者bis(fluorosulfonyl)imide (FSI)和含氮的陽離子構成。使用這些離子液體電解質的鋰離子或鈉離子電池有著非常穩定的循環性能。最近的研究表明，磷基離子液體相比之前的銨衍生物離子液體有著更高的Li+轉化率和電化學視窗，在鋰離子電池領域顯示出的巨大應用價值。

為了發揮離子液體電解質的全部潛力，鋰離子電池對電極的要求也隨之增高：電極必須能夠完全潤濕，並且可以最大限度地消除由於黏度升高引起地傳質損失。最近，有科學家使用電沉積的方法合成了新型的MoS2/石墨烯複合物MoS2/rGO，它相比之前傳統方法合成的電極有著更高的容量和倍率性能。

因此，澳大利亞Wollongong大學的Wallace課題組使用磷基離子液體trimethyl(isobutyl)phosphonium bis(fluorosulfonyl)imide (P111i4FSI)和lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI)組成的混合物作為電解質，電沉積法得到的擁有三維多孔結構的MoS2/ rGO作為電極，裝配了鋰離子電池，並研究了它的電化學性能。

圖1.電極材料的SEM和HRTEM圖像

（圖片來源：Chem. Commun.）

之後，研究者們對該種新型的電極進行了表徵。電極材料的SEM圖像如圖1所示：(a)為MoS2的圖像，可以看到MoS2的形貌為厚度為640 nm的薄片；(b, c)為MoS2/rGO的圖像，其立體的三維結構是由許多納米片堆疊形成的；更大的倍率顯示(d)，這些納米片長寬在幾百納米之間，厚度在72 nm上下。EDS圖像存在C的峰，表明MoS2成功與石墨烯複合。高分辨的TEM圖像(e)顯示，石墨烯材料均勻的的覆蓋在MoS2表面。此外，作者還使用拉曼光譜、TGA和XPS證明了MoS2的形成和MoS2與rGO的複合。

圖2.電化學性能曲線

（圖片來源：Chem. Commun.）

研究者們使用循環伏安法(CV)研究了使用新型電解質和電極的電池的電化學性能。他們將兩種電極MoS2和MoS2/rGO以及離子液體電解質(3.2 mol kg-1LiFSI in P111i4FSI, IL)和傳統溶劑型電解質(1 M LiPF6in 1:1 ethylene carbonate/dimethyl carbonate, CE)兩兩組合，製作了四種不同的電池：MoS2-IL、MoS2-CE、MoS2/rGO-CE和MoS2/rGO-IL。並對他們都進行了性能測試。如圖2所示，(a)為MoS2/rGO-IL的循環伏安曲線，在第一次循環過程中，0.5 V附近存在一個寬的陰極峰，這表明形成了固體電解質膜。在其他的循環中，有三個陰極峰，分別為：1.82 V、1.02 V和0.41 V，這三個峰分別代表Li2S的形成，LixMoS2的形成和MoS2的分解。陽極曲線上則存在兩個陽極峰：1.56 V和2.28 V分別對應Mo氧化形成MoS2和S的形成。圖(b)為充放電的數據，其中的趨勢和傳統的MoS2基電池的循環伏安曲線相同。電池的倍率性能和循環性能圖表(c, d)顯示：MoS2/rGO-IL的性能優異，比使用傳統溶劑型電解質和傳統方法合成的MoS2/石墨烯複合電極的電池性能要好。

圖3.高溫下的電化學性能

（圖片來源：Chem. Commun.）

此外，值得注意的是，在高溫環境下(50 ℃)，MoS2/rGO-IL表現出了非常高的穩定性和非常好的性能（如圖3）。而MoS2/rGO-CE電池在第一個循環下，就因為失效而無法收集到數據。研究者推測這主要歸功於離子液體電解質具有卓越的穩定性。這項性質極大地提高了鋰離子電池的安全性，也拓展了其應用範圍，為其能夠更廣泛地應用於日常生活中打下了堅持的基礎。

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cc/c8cc01460

原文作者：

Yu Ge, Cristina Pozo-Gonzalo, Yong Zhao, Xiaoteng Jia, Robert Kerr, Caiyun Wang, Patrick C. Howlett and Gordon G. Wallace.

DOI：10.1039/C8CC01460D

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