出於對(duì)鋰離子電池（LIBs）安全性與環(huán)保性的憂慮，低成本、高儲(chǔ)量、安全高效和高能量密度的水系鋅離子電池（ZIBs）逐漸進(jìn)入大眾視野，但由於水合鋅離子較大的離子半徑因而其嵌入動(dòng)力學(xué)緩慢而缺乏適當(dāng)?shù)恼龢O材料，水系鋅離子電池的性能存在缺陷。
近日，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的Husam N. Alshareef團(tuán)隊(duì)報(bào)導(dǎo)了一種通過(guò)調(diào)控嵌入能量將非活性鋅離子水溶液主體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?chǔ)鋅載體的高效通用策略。他們以二硫化鉬（MoS2）為模型體系，利用實(shí)驗(yàn)手段和理論計(jì)算方法證明，即便是原本Zn2+擴(kuò)散十分緩慢的體系也可以實(shí)現(xiàn)快速的Zn2+傳導(dǎo)。通過(guò)簡(jiǎn)單的氧摻雜的方法可以實(shí)現(xiàn)層間間距和親水性的調(diào)節(jié)，將Zn2+在MoS2中的擴(kuò)散速率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得原本幾乎不具活性的MoS2性能提升了10倍，出鋅容量達(dá)到232 mAh/g。
MoS2-O納米片的結(jié)構(gòu)表徵
與鋰或鈉相比，二價(jià)鋅在充/放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生兩個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，因此對(duì)於相同數(shù)量的離子插入具有更大的存儲(chǔ)容量，但二價(jià)性也使其與水分子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，鋅離子在水溶液中會(huì)形成尺寸較大的絡(luò)合物。由於ZnII-H2O與S的相互作用較弱，且MoS2表現(xiàn)為疏水性，Zn2+在MoS2中嵌插過(guò)程並不順利。而當(dāng)用氧原子取代S後，MoS2層的親水性會(huì)增強(qiáng)，ZnII-H2O-O相互作用也隨之變強(qiáng)，進(jìn)而降低嵌入能。研究顯示，嵌入過(guò)程中所需的有效能量與Zn2+水化程度的關(guān)係，隨著層間距的增大，嵌入過(guò)程中所需破壞的ZnII-H2O鍵的數(shù)目減少，從而獲得較低的能量；而O修飾之後的MoS2能量會(huì)進(jìn)一步降低，這表明層間距和親水性調(diào)節(jié)可以極大地促進(jìn)Zn離子在MoS2中的嵌入動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通常也可以促進(jìn)所有金屬硫族化合物的性能。
研究人員用硫脲和鉬酸銨水熱反應(yīng)制得MoS2納米片，通過(guò)降低反應(yīng)溫度使鉬酸鹽前驅(qū)體無(wú)法完全分解，使一部分的Mo-O鍵與硫脲反應(yīng)，生成含氧的MoS2，即MoS2-O納米片。研究結(jié)果顯示，MoS2-O電極較MoS2電極具有更高的比容量與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)性能。MoS2-O電極的鋅離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可以解釋為：Zn2+在層狀宿主中的嵌入脫出、2H相到1T相MoS2的可逆轉(zhuǎn)變和ZHS可逆的析出/溶解過(guò)程。
該工作所採(cǎi)用的方法廣泛適用於金屬離子在過(guò)渡金屬氧族化合物以及其他層狀化合物中的容量改善。研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nano Letters上。
