基于石墨負(fù)極的鋰離子電池能量密度逐漸不能夠滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。金屬鋰因其超高的理論比容量和超低的電化學(xué)電位被認(rèn)為是高性能二次電池的理想負(fù)極。然而金屬鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用受制于兩個(gè)主要挑戰(zhàn)--枝晶的不規(guī)則生長(zhǎng)和巨大的體積變化，二者通過(guò)破壞/重建固體電解質(zhì)界面（SEI），不斷分解消耗電解液，甚至?xí)?dǎo)致短路，造成潛在的安全隱患。因此為了促進(jìn)金屬鋰電池體系的進(jìn)一步發(fā)展，開發(fā)處一種新型材料來(lái)有效抑制枝晶生長(zhǎng)并緩解體積膨脹具有重要意義。

北化王峰教授、牛津副教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的硫酸鹽輔助法來(lái)制造一種新的自支撐材料，該材料為內(nèi)含MoS2納米片的分級(jí)多孔N，S摻雜的碳納米帶（稱為MoS2@NSPCB）。MoS2@NSPCB材料具有豐富的金屬/非金屬親鋰位點(diǎn)，有利于鋰的均勻成核。此外，分層的多孔結(jié)構(gòu)和N，S摻雜的碳支撐使親鋰位點(diǎn)具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高表面化學(xué)活性。同時(shí)，三維導(dǎo)電納米帶網(wǎng)絡(luò)確保了鋰離子的快速擴(kuò)散，有效抑制LMA在沉積/剝離過(guò)程中形成枝晶。通過(guò)原位測(cè)量和理論計(jì)算顯示，碳納米帶內(nèi)均勻分布的MoS2作為穩(wěn)定的親鋰位點(diǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)鋰的均勻成核，并抑制了枝晶的生長(zhǎng)。因此，MoS2@NSPCB在半電池中電化學(xué)表現(xiàn)優(yōu)異，鋰離子對(duì)稱電池在3 mA cm-2/3 mAh cm-2的條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行1500小時(shí)，且具有低過(guò)電位（≈24.2 mV）。與磷酸鐵鋰正極配對(duì)后，全電池表現(xiàn)出了460 Wh kg-1的高能量密度和良好的長(zhǎng)循環(huán)性能（在10 C大電流下進(jìn)行了1600次循環(huán)，容量保持率仍可達(dá)≈70%）。

圖1. （a） MoS2@NSPCB薄膜的合成示意圖，（b） MoS2@NSPCB薄膜在不同狀態(tài)下實(shí)物圖，包括扭曲、卷曲和折疊；（c1）NSPCB、（d1）MoOx@NCF和（e1）MoS2@NSPCB的SEM圖，（c2） NSPCB、（d2） MoOx@NCF和（e2） MoS2@NSPCB的TEM圖；（f） MoS2@NSPCB的高分辨率TEM圖（插圖：選定區(qū)域電子衍射圖）和（g）EDX線性掃描分析

圖2. （a） Li|Cu、Li|MoOx@NCF和Li|MoS2@NSPCB半電池在初始循環(huán)中的電壓-容量曲線；（b）庫(kù)侖效率（初始循環(huán)未顯示）；（c， d） MoS2@NSPCB的Li|Li對(duì)稱電池在不同電流密度下的循環(huán)性能；（e） MoS2@NSPCB和MoOx@NCF的鋰離子擴(kuò)散活化能；（f） MoS2@NSPCB Li|Li對(duì)稱電池的循環(huán)性能，沉積容量為3 mAh cm-2；（g） MoS2@NSPCB Li|Li對(duì)稱電池與其他材料電池的電化學(xué)性能比較；（h） MoS2@NSPCB-Li|LiFePO4軟包電池在不同狀態(tài)下為LED燈供電的實(shí)物圖；（i） MoS2@NSPCB-Li|LiFePO4和Cu-Li|LiFePO4全電池的循環(huán)性能

圖3. （a） MoS2@NSPCB在0.1 A g-1時(shí)的恒流充電-放電（GCD）圖和相應(yīng)的原位拉曼光譜；（b） MoS2@NSPCB在0.1 A g-1時(shí)的GCD圖和相應(yīng)的原位XRD圖；（c）NSC， MoS2， （d）Li2S， Mo不同幾何形狀上的頂視圖和側(cè)視圖、實(shí)空間電荷密度和與Li原子的Ead值

圖4. 原位光學(xué)顯微鏡觀察（a）銅箔、（b）MoOx@NCF和（c）MoS2@NSPCB在1 mA cm-2下6小時(shí)的鍍鋰行為，（d1，d2）鍍鋰前，（e1，e2）在1 mA cm-2下鍍3 mAh cm-2的鋰后，（f1，f2）在1 mA cm-2下鍍6 mAh cm-2的鋰后，以及（g1，g2）在1 mA cm-2下剝離6 mAh cm-2的鋰后MoS2@NSPCB的表面和截面SEM圖。

本課題使用一種高效的硫酸鹽輔助方法為L(zhǎng)MAs制造了一種自支撐的MoS2@NSPCB材料，使用MoS2@NSPCB基體的LMA保持無(wú)枝晶結(jié)構(gòu)，具有良好的半電池和全電池性能。研究表明，N，S摻雜的碳納米帶牢牢地固定了MoS2衍生的親鋰位點(diǎn)，使鋰的成核均勻化并抑制了鋰枝晶的形成。此外，具有分層多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電三維結(jié)構(gòu)的存在加速了鋰離子的擴(kuò)散，并適應(yīng)了鋰沉積物的體積變化。這項(xiàng)工作不僅為L(zhǎng)MAs提出了一種新的自支撐基體，而且還為其他金屬負(fù)極的改性提供了新的思路。