三维钼基电极的可控制备及其在钠离子电池中的应用

Layered molybdenum trioxides (MoO3) and disulfides (MoS2) have captured much attention as electrodes for sodium-ion batteries (SIBs), due to their unique electronic and electrical properties. However, conventional molybdenum based electrodes adopt two-dimensional in-parallel cell structures, always trading off between available energy and the capability to release this energy without internal power losses. This presents a significant challenge towards their practical utilization.. This project is aimed at mitigating the issues by engineering three-dimensional (3D) architectures of molybdenum electrodes. The 3D electrodes are capable of maximizing power and energy density yet maintaining short ion transport lengths. In this project, 3D MoO3 architectures will be directly grown on metallic substrates and transformed into 3D MoS2 through sulfidation. Then these 3D architectures will be modified with plasma to introduce amorphous surface state and exotic ion doping. Na storage behaviors in the 3D electrodes will be electrochemcally examined. The Na storage process and reaction mechanism will be systematically investigated using versatile electrochemical methods. To illustrate the benefits of the 3D architecture and plasma treatment, theoretical modeling in combination with spectral analysis will be implemented. Furthermore, full SIBs based on the 3D architecture of molybdenum will be developed. This work would provide valuable insight into the efficient application of molybdenum materials as well as other energy materials.

层状结构的钼基材料如三氧化钼（MoO3）和二硫化钼（MoS2）具有独特的电子和电学特征，是潜在的高性能钠离子电池材料。然而，常规的二维电极结构导致钼基电极的能量与功率相互制约，难以满足实用的要求。本项目通过结合理论分析与实验研究，设计三维钼基电极来增加单位面积内的活性物质量，并且使离子扩散的路程始终保持在较短的距离，从而同时提高电极的能量密度与功率密度。本项目拟直接在金属基底上生长MoO3三维电极并通过硫化反应转变为MoS2；进一步对这些三维电极进行等离子体刻蚀和元素掺杂处理；通过关键实验参数调控产物的化学组成和微观结构如形貌、表面和缺陷。用电化学手段和谱学方法重点研究这些组成和结构特征对三维电极的储钠性能和反应历程的影响规律；结合理论计算探讨材料的构效关系及三维电极的动力学优势。在此基础上，开发具有高能量和高功率的钠离子全电池，为钼基电极材料的实际应用提供实验基础和理论依据。

研究和开发大容量、长寿命、低成本的钠离子电池材料对解决环境污染和能源短缺具有重要的科学意义和实用价值。层状结构的钼基材料如三氧化钼（MoO3）和二硫化钼（MoS2）具有独特的电子和电学特征，是潜在的高性能钠离子电池材料。然而，常规的二维电极结构导致钼基电极的能量与功率相互制约，难以满足实用的要求。本项目通过结合理论分析与实验研究，设计三维钼基电极来增加单位面积内的活性物质量，并且使离子扩散的路程始终保持在较短的距离，从而同时提高电极的能量密度与功率密度。本项目系统开展了钼基三维结构电极的设计、可控制备、化学修饰及电学和电化学储钠性能表征的工作。我们通过热化学氧化、阳极氧化和水热方法，设计了一系列具有不同的相组成、尺寸和形貌的三维结构电极。我们进一步对三维结构电极进行磷化和硫化处理，来调控钼基材料的电荷传输性能和电化学性能的影响规律。我们采用电化学手段和谱学方法重点研究这些组成和结构特征对三维电极的储钠性能和反应历程的影响规律；研究了充放电的机理和动力学特性。并利用COMSOL对三维结构的电荷传输行为进行了模拟，揭示三维电极在储钠过程中的动力学优势。这些工作已经实现了我们的研究目标。相关工作已经发表标注本项目资助的SCI论文20多篇，其中多篇发表在材料领域的高水平期刊如Nature Communications, Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano等，申请国家发明专利3项，培养博士1名，硕士7名硕士。在项目执行期间，申请人入选教育部人才计划，获批江苏省科学基金杰出青年基金1项、江苏省高等学校自然科学研究重大项目1项。获国际功能材料协会“青年奖”和苏州市自然科学优秀学术论文二等奖。