锂电行业核心期刊（锂电最新Nature子刊从毫米到埃米）

锂电行业核心期刊（锂电最新Nature子刊从毫米到埃米）然而，目前的 3D MoS2 制造路线通常会产生仅在两个数量级内重复出现的、简单几何形状的介孔，从而阻止研究人员将 MoS2 的内在特征与它们外在的理想材料特性结合起来。因此，它们的电化学性能仍然不如 BP、Si、Si-石墨烯、Si@C 或石墨烯。事实上，3D结构化材料领域几乎完全专注于金属和无机材料，详细的机理探讨揭示了许多指导方针，以实现“更强但更易延展”、“轻量级和可容忍缺陷”、“电化学可重构”和“脆性到韧性”的转变。 3D 结构的 MoS2 及其他结构（例如石墨烯、MXene 和其他过渡金属二硫属化物 (TMD)）发展，将为各种应用开辟广阔的道路，其中，特殊性质和功能源于 2D 原子晶体的特性和多尺度结构。3D结构化材料，例如具有微米和纳米级 3D 结构的材料，具有广泛的应用前景（从光子器件到能量存储和转换系统、可穿戴电子设备到生物医学设备）。二硫化钼 (MoS2) 代表三个原子厚

第一作者： Xuan Wei

通讯作者： Arindam Indra，Chung-Li Dong

通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学，中国台湾清华大学

论文DOI： https://doi.org/10.1002/anie.202211585

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能积极响应外部刺激的3D结构化材料在能量存储、可穿戴电子产品和生物工程中具有诱人的应用前景。二硫化钼是一种优秀的二维结构单元，是锂离子电池负极的有希望的候选者。然而，堆叠且易碎的二维层状结构限制了其倍率性能和电化学稳定性。本文报告了去湿诱导合成法，用于将二维二硫化钼纳米片转化为具有跨越七个数量级结构层次的三维泡沫。该二硫化钼泡沫提供了一个互穿网络，可实现高效的电荷传输、快速的离子扩散，并为电化学反应提供机械弹性和化学稳定性。这些特征实现了一种涉及钼氧化还原反应的赝电容储能机制，这通过近边缘结构的原位 X 射线吸收得到证实。二硫化钼泡沫的非凡电化学性能优于大多数报道的二硫化钼基锂离子电池负极。这项工作为分层3D结构化产生特殊属性的各种应用开辟了广阔的前景。

背景介绍

3D结构化材料，例如具有微米和纳米级 3D 结构的材料，具有广泛的应用前景（从光子器件到能量存储和转换系统、可穿戴电子设备到生物医学设备）。二硫化钼 (MoS2) 代表三个原子厚的 2D 构件，是 3D 结构化中有前景的候选者。从结构的角度来看，MoS2 表现出内在层次结构，例如相异质结、尺寸从毫米到微米的晶域之间的晶界、纳米级的位错以及原子级的 S 空位点缺陷等。这些结构特征加上高理论容量、高地球丰度和易于溶液加工性，使 MoS2 成为锂离子电池 (LIB) 阳极有吸引力的候选者。然而，其堆叠且易碎的层状结构，限制了锂离子 (Li ) 的扩散和电化学稳定性，因此，只有少数研究报道了纯单层和多层 MoS2 纳米片的锂离子存储特性。

然而，目前的 3D MoS2 制造路线通常会产生仅在两个数量级内重复出现的、简单几何形状的介孔，从而阻止研究人员将 MoS2 的内在特征与它们外在的理想材料特性结合起来。因此，它们的电化学性能仍然不如 BP、Si、Si-石墨烯、Si@C 或石墨烯。事实上，3D结构化材料领域几乎完全专注于金属和无机材料，详细的机理探讨揭示了许多指导方针，以实现“更强但更易延展”、“轻量级和可容忍缺陷”、“电化学可重构”和“脆性到韧性”的转变。 3D 结构的 MoS2 及其他结构（例如石墨烯、MXene 和其他过渡金属二硫属化物 (TMD)）发展，将为各种应用开辟广阔的道路，其中，特殊性质和功能源于 2D 原子晶体的特性和多尺度结构。

图文解析

图 1. 通过去湿诱导法制造打印 3D MoS2 泡沫。 a 合成示意图说明了 EHD 装置和 MoS2 泡沫的结构演变。 b在 4 英寸铜 (Cu) 基板上制造 MoS2 泡沫；该基板含有超过七个数量级的结构层次，包括(c) 互连多孔网络，(d) 建筑结构，(e) 涡旋桁架单元，(f) 纳米孔和支柱，(g) 交织的 MoS2 片，(h) 基底平面上的裂纹和孔，和 (i) S 空位。

图 2. MoS2泡沫以及不同MoS2样品的电化学性能。 a 倍率容量性能；在不同的电流密度下测量。 b 在前 10 个循环中测量了 MoS2 泡沫的恒电流放电和充电曲线。 c 5 A g-1电流密度下的循环稳定性比较。 d MoS2 泡沫的体积容量优于各种最先进的阳极，并且与当前的 2D BP 复合阳极基准相比仍然具有优势。 e 在电流密度为 5 A g-1 和10 A g-1 的电流密度下，所测量的 MoS2 泡沫阳极的循环性能；循环 1000 次。

图 3. MoS2 泡沫的结构稳定性和容量保持率。 a 将 MoS2泡沫压缩至 50% 前（左图）和后（右图）的 SEM 图像；显示了优异的恢复能力。 b 负载和位移曲线（位移至 50%）；显示具有连续锯齿状流动（灰色箭头）的韧性状特征，证明了分层结构的多步变形。 c 负载和位移曲线（位移至10%）；表现出具有良好恢复性的弹性特征。 d 不同充电状态 (SOC) 下，3D MoS2 内的锂离子扩散和相关浓度分布。 e 不同 SOC 下的体积膨胀。 SOC = 100% 时约为 70%。 (f) 原始 MoS2 泡沫和(g) MoS2 泡沫在 1000 次充电/放电循环后的 SEM 图像；证明了 SEI 层的均匀形成，而分层结构保持不变。

图 4. 赝电容电荷存储有助于 MoS2 泡沫实现出色的倍率容量。 a 在 100 mA g-1 下、十次循环后、完全放电状态下， MoS2泡沫和 MoS2 块体电极的奈奎斯特图。 b 在 1 mV s−1 下，在 0.01-3 V 之间的电压窗口中，MoS2泡沫和 MoS2 块体电极的第 2 次循环CV 测量。c 通过 i = avb 分析不同扫描速率下的 CV 曲线来表征电容效应，其中测得的电流 i与扫描速率 v呈幂律关系。 d 对于在锂离子电解质中以 1 mV s-1 扫描速率循环的建筑化 MoS2，电容和扩散控制的电荷存储的贡献。

图 5. MoS2 泡沫阳极中 Mo 氧化还原反应的原位 XANES跟踪。 a 在不同电位下测量的3D MoS2 泡沫电极的归一化原位 Mo K-edge XANES 光谱（蓝色：放电过程；红色：充电过程）。 b Mo箔，MoO3 和 3D MoS2 在开路电压 (OCV 2.86 V)、第一次完全放电 (0.01 V) 和第一次完全充电 (3 V) 下，第一次循环的归一化原位 Mo K-edge XANES 光谱。 c 在扫描速率为 0.3 mV s−1 下的3D MoS2泡沫阳极的循环伏安图。（d）在不同电位下，3D MoS2 泡沫的相应吸收边能量偏移（ΔEedge）（在循环伏安图中标记为彩色点）。

总结与展望

基于上述结果，本文报道了一种去湿诱导的合成方案，该方案能够将 2D ce-MoS2 纳米片有意结构化为 3D 分层组织结构。此外，该研究对结构-性能关系进行控制，通过合理设计提供增强的机械和电化学性能，而无需改变化学成分。先进的成像、理论建模和全面的光谱表征共同揭示了组织良好的 3D 拓扑框架，该框架具有空间连接的涡形桁架单元，可以直接连续地打印在目标基板（4 英寸晶圆级）上，总厚度为>50 微米。3D 结构的 MoS2 泡沫具有高功率密度和长循环寿命相结合的应用前景，可用于可穿戴/可植入电子设备。此外，3D 结构的 MoS2 泡沫可能会很好地用作电池的负极。3D 结构化 MoS2 泡沫的出色倍率性能使其成为锂离子混合电容器的理想候选者，可能会提供比锂离子电池更高的功率密度，和比超级电容器更高的能量密度。