石墨烯状MoS2/C夹层结构加速锂硫电池多硫化物转化的动力学研究

为解决锂硫电池中多硫化物穿梭效应和氧化还原动力学缓慢的问题，研究人员通过水热法和退火处理构建了石墨烯状MoS2/C夹层结构，用于改性隔膜。该结构不仅提供了快速电子传导通道，还暴露了大量活性位点，显著提升了电池的循环稳定性（0.2C下100次循环容量保持791 mAh g?1）和实际能量密度，为高负载硫正极和贫电解液条件下的锂硫电池设计提供了新思路。

　　

随着绿色能源产业的快速发展，传统锂离子电池的能量密度已难以满足需求。锂硫（Li?S）电池因其2650 Wh kg^?1的超高理论能量密度和硫资源的丰富性被视为下一代储能系统的有力竞争者。然而，硫的绝缘性和多硫化物的穿梭效应导致电池容量衰减快、循环寿命短，严重制约其实际应用。尽管通过硫正极结构设计取得了一定进展，但高负载条件下仍面临动力学缓慢和能量密度降低的挑战。

针对这一难题，国内某高校的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项创新研究。他们通过简单的水热反应和退火处理，构建了石墨烯状二硫化钼/碳（MoS₂/C）夹层结构，用于改性聚丙烯（PP）隔膜。这种独特的结构设计不仅解决了MoS₂易堆叠、导电性差的问题，还通过"阻断-疏通"协同策略实现了多硫化物的高效转化。

研究采用水热法原位合成前驱体，结合高温碳化构建夹层结构；通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征材料形貌；采用循环伏安法（CV）和恒流充放电测试电化学性能；利用X射线光电子能谱（XPS）分析化学吸附机制。

材料设计与表征
MoS₂/C-3样品展现出典型的少层石墨烯状结构，碳层间距约0.34 nm，有效阻止了MoS₂的堆叠。拉曼光谱显示其I_D/I_G比为1.03，表明碳层具有丰富的缺陷位点。

电化学性能
优化后的MoS₂/C-3@PP隔膜使电池在0.2C下首次放电容量达1262 mAh g^?1，100次循环后仍保持791 mAh g^?1。即使在1C高倍率下，容量保持率仍达57.2%，显著优于纯PP隔膜组。

机理研究
同步辐射和吸附实验证实，MoS₂的硫空位与碳层协同作用，既能化学吸附多硫化物，又通过降低Li₂S成核势垒（从纯PP的329 mV降至215 mV）加速转化动力学。

这项研究创新性地通过"材料-结构-功能"一体化设计，为解决锂硫电池的关键科学问题提供了新方案。夹层结构中的碳层不仅作为导电网络，还通过空间限域作用稳定了少层MoS₂的活性界面，使其在贫电解液（E/S=5 μL mg^?1）和高硫负载（5.1 mg cm^?2）条件下仍表现出优异性能。该工作为二维过渡金属硫化物（TMDs）在能源存储领域的应用开辟了新途径。