掺镍的MoO?与还原氧化石墨烯复合材料的电化学性能提升，用于锂离子电池

《Results in Engineering》：Enhanced Electrochemical Behavior of Ni-doped MoO 3 and Reduced Graphene Oxide Composite for Lithium-ion Batteries

镍掺杂钼氧化物/还原石墨烯复合材料（Ni-MoO3/rGO）通过水热法合成，XRD、Raman、SEM-EDX和XPS表征证实了材料结构和化学掺杂的稳定性。在0.3 A/g电流密度下，Ni-MoO3/rGO表现出1380 mAh/g的高比容量，较未掺杂的MoO3/rGO提升55.8%，且循环稳定性达91.5%（159次循环）。掺杂镍显著提高了反应动力学（τ=0.0013 ms）、离子扩散速率（Warburg阻抗0.208 kΩ）和结构稳定性，同时rGO通过抑制体积膨胀和增强导电性优化了电化学性能。

　　在当今社会，环境问题日益严峻，化石燃料的过度使用导致资源枯竭与污染加剧。为应对这一挑战，可持续能源的开发和利用成为研究重点。然而，可再生能源如风能和太阳能的不稳定性使得其在实际应用中面临一定困难。因此，高效的能量存储系统成为确保电力供应稳定的关键。锂离子电池（LIBs）因其快速充电、高能量密度、较低自放电率以及较长的循环寿命等优点，在现代电子设备、电动汽车（EVs）、电网储能系统等领域得到广泛应用。随着技术的进步，LIBs的需求持续增长，对电极材料的性能提出了更高要求。目前，传统LIBs的负极材料如石墨虽然具备良好的电化学性能，但其理论容量较低（约372 mAh/g）且体积容量有限（约850 mAh/cm3），这限制了其在先进储能设备中的应用潜力。因此，寻找具有更高容量、更好稳定性和更快反应动力学的新型电极材料成为研究重点。

MoO?作为一种过渡金属氧化物，因其较高的理论容量（约1117 mAh/g）和稳定的层状结构而受到关注。然而，MoO?在实际应用中面临两个主要问题：一是其电子导电性较差，导致电池性能受限；二是其在充放电过程中会发生较大的体积变化，从而引发结构破坏，影响电池的循环寿命。为解决这些问题，研究者尝试将MoO?与其他导电材料结合，以提升其电化学性能。其中，还原氧化石墨烯（rGO）因其二维结构、高比表面积和优异的导电性，成为一种理想的复合材料选择。通过将MoO?与rGO复合，可以有效缓解体积膨胀问题，同时提高电极材料的导电性，从而增强LIBs的整体性能。

此外，MoO?的导电性不足问题也可以通过掺杂金属离子加以改善。镍（Ni）因其较高的电导率和适当的离子半径（约0.07 nm），成为一种理想的掺杂元素。在本研究中，通过水热法合成了一种含有2% Ni掺杂的MoO?与rGO复合材料（Ni-MoO?/rGO），以进一步优化其电化学性能。实验结果表明，Ni-MoO?/rGO在0.3 A/g的电流密度下，表现出高达1380 mAh/g的放电比容量，比未掺杂的MoO?/rGO（771 mAh/g）高出55.8%。这主要得益于Ni2?的引入，它不仅提供了额外的氧化还原活性位点，还改善了材料的反应动力学，使得Li?离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌更加高效。同时，Ni-MoO?/rGO在159次循环后仍能保持91.5%的容量，而MoO?/rGO仅能维持71.3%的容量，这说明Ni掺杂显著提高了材料的结构稳定性。

在实验方法上，首先采用改进的Hummer法合成氧化石墨烯（GO），随后通过水热法将Ni2?掺杂到MoO?中，并与rGO结合形成复合材料。X射线衍射（XRD）分析显示，Ni-MoO?/rGO保留了MoO?的正交晶系结构，并表现出略微的峰位左移，这表明Ni2?成功地掺杂到了MoO?的晶格中。进一步的X射线光电子能谱（XPS）分析确认了Ni2?的化学状态变化，并通过结合能的偏移验证了其对材料电子结构的调控作用。拉曼光谱则揭示了MoO?与rGO的振动模式，以及Ni掺杂后对这些模式的影响，进一步支持了Ni-MoO?/rGO的结构优化。扫描电子显微镜（SEM）结合能谱（EDX）分析显示，Ni-MoO?/rGO具有均匀的Ni2?分布，这有助于提升其整体的电化学性能。

为了评估材料的电化学性能，研究者还进行了循环伏安法（CV）和恒流充放电（GCD）测试。CV测试显示，Ni-MoO?/rGO在较低扫描速率（2 mV/s）下表现出明显的氧化还原峰，分别位于约1.14 V和1.49 V处，这表明其具有良好的可逆反应能力。在较高的扫描速率（10 mV/s）下，材料表现出电容行为，这可能与表面电荷存储有关。GCD测试进一步证实了Ni-MoO?/rGO在不同电流密度下的优异性能，尤其是在0.3 A/g下，其放电比容量达到1380 mAh/g，远高于MoO?/rGO。同时，其在159次循环后仍能保持较高的容量保持率，显示出优异的循环稳定性。

电化学阻抗谱（EIS）分析揭示了Ni-MoO?/rGO的优异离子传输性能。与MoO?/rGO相比，Ni-MoO?/rGO表现出更低的电荷转移电阻（Rct）和更小的Warburg阻抗（Wz），这表明其具有更快的Li?离子扩散速率和更高效的电荷传输能力。此外，Ni-MoO?/rGO的电荷转移时间（τ）也显著降低，进一步支持了其在充放电过程中表现出更快的反应动力学。

综合来看，Ni-MoO?/rGO复合材料在多个方面展现出优于传统LIBs负极材料的性能。首先，其高比容量（1380 mAh/g）使其成为一种极具潜力的电极材料。其次，优异的循环稳定性（91.5%容量保持率）保证了其在长期使用中的可靠性。此外，Ni掺杂不仅提升了材料的导电性，还通过提供更多的氧化还原活性位点，增强了Li?的存储能力。最后，Ni-MoO?/rGO的结构稳定性使其在高电流密度下仍能保持良好的电化学性能，为LIBs技术的进一步发展提供了新的方向。

本研究通过系统地分析材料的结构与电化学性能，展示了Ni掺杂在提升MoO?/rGO复合材料性能中的重要作用。这不仅有助于理解MoO?与rGO复合材料的性能优化机制，也为未来开发更高性能的LIBs负极材料提供了理论支持和实验依据。随着对新能源需求的不断增长，开发高性能、低成本、长寿命的电极材料对于推动LIBs技术的发展具有重要意义。Ni-MoO?/rGO作为一种新型复合材料，其在多个方面表现出的优势，使其成为解决当前LIBs技术瓶颈的有力候选材料。