MOS₂ 与氮掺杂碳的制备及其高性能钠离子电池特性分析

引言

钠离子电池因钠离子半径大于锂离子（ N_a^′1.02 Å vs Li⁺ 0.76 Å）和相对原子质量较高（ Na:22.99g/mol vs Li： 6.94g/mol ），导致其理论能量密度较锂离子电池存在显著差距。因此钠离子电池产业化进程的关键瓶颈在于开发兼具高储钠容量与稳定循环性能的负极材料。层状过渡金属硫化物MoS₂凭借其独特的二维层状结构（层间距 0.615-0.650nm ）、可调节的层间化学环境以及高达 600-1200mAh/g 的理论比容量，成为最具潜力的钠离子存储候选材料。

1. MoS2/氮掺杂碳的制备

1.1 制备方法

本文采用盐模板法辅助构筑 MoS₂, /氮掺杂碳（NC）复合纳米片结构。其中，超细MoS₂纳米晶均匀嵌入三维多孔氮掺杂碳基底中，形成互连的导电骨架网络。氮掺杂碳与 MoS₂ 的界面耦合作用显著增强钠离子传输动力学，同时材料在充放电过程中通过动态电化学重构形成自适应结构，有效缓解了钠离子脱嵌引起的体积膨胀。当作为钠离子电池负极时，该复合材料展现出优异的电化学性能：首次库伦效率达 82.6% ，在 0.1A/g 下可逆容量为 334.6mAh/g ，循环200 次后容量保持率稳定在 92.3% ，且在 5A/g 高倍率下仍保持 252.9mAh/g 的容量，实现了结构稳定性与能量密度的协同提升。

1.2 结构表征

通过X 射线光电子能谱（XPS）对 MoS₂/NC 复合材料与纯 MoS₂ 样品的表面化学态进行表征。在全谱扫描中均检测到Mo 3d、S 2p、C 1s、N 1s和O 1s 的特征信号。对比分析发现， MoS₂/NC 复合材料中C 1s 峰强度显著高于纯 MoS₂，表明盐模板法成功引入了氮掺杂碳基底。高分辨率 N 1s谱显示，氮元素以吡啶氮（ 398.2eV ）、石墨氮（ 400.5eV ）和氧化氮（402.1eV）形式存在，这种掺杂构型可有效提升材料表面电子转移效率。

1.3 形貌表征

通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对 MoS₂/NC 复合材料的形貌结构进行系统表征。MoS₂/NC 复合材料呈现三维多孔纳米片架构，其中超细 MoS₂纳米晶（粒径约 5-8nm ）均匀嵌入氮掺杂碳基底中，形成“ 纳米晶-碳基底” 互嵌结构。NaCl 盐模板的引入有效抑制了 MoS₂ 纳米晶的团聚，并诱导形成薄层纳米片结构（厚度约 8-12nm ）。TEM 和 HRTEM 观测显示，MoS₂平面的平均层间距为 0.626nm （略大于理论值 0.615nm ），3-4 层 MoS₂ 超薄纳米片均匀分散在碳基底中，其交联网络结构与碳基底形成强界面结合。

2.电化学性能分析

2.1 循环伏安法解析MoS₂/氮掺杂碳

为系统评估 MoS₂/NC 复合材料的储钠性能，本文采用CR2032 型扣式电池体系进行电化学表征。通过分析 MoS₂/NC 电极前三次循环的循环伏安（CV）曲线，可清晰观察到典型的钠离子嵌入/脱出行为特征。首次放电过程中，在 0.72V 和 0.36V 处呈现两个明显的还原峰：0.72 V 处的宽峰对应Na⁺ 与 MoS₂ 层间发生插层反应生成 Na⊓MoS₂ ，而 0.36V 处的尖锐还原峰则源于 Na⊓MoS₂ 进一步与 Na⁺ 发生转化反应生成 Na₂S 和金属 Mo ，此过程伴随固体电解质界面（SEI）膜的不可逆形成。值得注意的是，后续循环中 CV 曲线重合度显著提高，表明电极材料经过电化学活化后建立了稳定的储钠反应机制。

2.2 循环性能分析

通过系统对比 MoS₂/NC_⋅ 、无 ΔNaCl 模板 MoS₂/NC 及纯 MoS₂ 电极在 0.2A/g 电流密度下的循环稳定性，实验数据显示：经 100 次充放电循环后，三种材料的可逆比容量分别稳定在 334.6mAh/g( （容量保持率 92.1% ）、213.2mAh/g （容量保持率 78.6% ）和 100.8mAh/g （容量保持率 56.3% ）。其中，纯MoS₂电极在50 次循环后即出现容量急剧衰减（较初始值衰减 42.7% ），这主要归因于其本征低电导率（ 10^-6S/cm ）及钠离子脱嵌引发的 300% 体积膨胀导致的结构粉化。相较于纯 MoS₂ ， MoS₂/NC 复合电极的电化学性能提升体现在双重机制：（1）氮掺杂碳基底的三维导电网络（电导率提升至 2.1× 10³ S/cm）与超细 MoS₂ 纳米晶（粒径 5-8nm ）的均匀分散，显著增强了电子/离子传输动力学；（2）电化学活化过程中形成的动态重构界面（HRTEM 观测到层间距从 0.615nm 扩展至 0.626nm ）有效提升了结构稳定性，循环200 次后容量保持率仍达 92.3‰

3.结论与展望

本文采用盐模板辅助热解法，以 ΔNaCl 为模板， 800^∘C 合成三维多孔MoS _2/ 氮掺杂碳纳米片。超细 MoS₂ 纳米晶（ 5-8nm ）均匀嵌入氮掺杂碳框架，有效抑制团聚。电化学测试显示， MoS₂/NC 电极在 0.2A/g 下循环 100次保持 334.6mAh/g （容量保持率 92.1% ）， 1A/g 下循环 250 次仍具 252.9mAh/g （单周衰减 0.012% ）。基于伏安法分析揭示其储钠机制涉及 Na⁺ 插层/转化反应及电化学活化诱导的结构重构，为高稳定性钠离子电池负极材料设计提供了新思路。

参考文献

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