KAUST, Aramco-Team entwickelt 3D-hierarchisch porösen MoS2-Schaum mit hoher Auflösung

Apr 05, 2024

Forscher von KAUST und Aramco haben einen dreidimensionalen Molybdändisulfidschaum mit einer Strukturhierarchie über sieben Größenordnungen entwickelt. Der Schaum bietet ein interpenetrierendes Netzwerk für effizienten Ladungstransport, schnelle Ionendiffusion und mechanisch belastbare und chemisch stabile Unterstützung für elektrochemische Reaktionen.

Die außergewöhnliche elektrochemische Leistung von Molybdändisulfidschaum übertrifft die meisten berichteten Anoden für Lithium-Ionen-Batterien auf Molybdändisulfidbasis und modernste Materialien. Ein Open-Access-Artikel zu der Arbeit ist in Nature Communications veröffentlicht.

Der selbstorganisierende Schaum verfügt über eine komplexe hierarchische Struktur, die es ihm ermöglicht, große Mengen an Lithium-Ionen wiederholt aufzusaugen und dann problemlos freizusetzen. Das Material könnte ein Schlüsselbestandteil schnell aufladbarer, langlebiger Lithiumbatterien werden.

(a) Das Herstellungsschema veranschaulicht den EHD-Aufbau und die strukturelle Entwicklung des MoS2-Schaums. (b) Demonstration der hochskalierbaren Herstellung von MoS2-Schaum auf einem 4-Zoll-Kupfer (Cu)-Substrat, das Strukturhierarchien über sieben Größenordnungen umfasst, einschließlich (c) miteinander verbundener poröser Netzwerke, (d) architektonischer Struktur, (e) Wirbel Fachwerkelementarzelle, (f) Nanoporen und Streben, (g) ineinander verschlungene MoS2-Blätter, (h) Risse und Löcher auf der Basisebene und (i) S-Leerstellen. Wei et al.

Die anorganische Substanz Molybdändisulfid (MoS2) gilt als vielversprechendes potenzielles Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Typischerweise besteht MoS2 jedoch aus atomar dünnen 2D-Schichten, die wie Papierblätter gestapelt sind. Dieser spröden Schichtstruktur mangele es an elektrochemischer Stabilität und sie schränkt die Diffusion von Lithiumionen in und aus dem Material ein, erklärt Xuan Wei, Hauptautor.

Das Team wollte 2D-MoS2-Nanoblätter in ein robustes 3D-Material umwandeln, das für den Einsatz als Batterieanode geeignet ist. Nachdem das Team Dutzende Bedingungen getestet hatte, stieß es schließlich auf einen Aufbau, bei dem die Nanoblätter einen organisierten, stabilen 3D-Schaum bilden.

Der Schaum besitzt eine hochgeordnete hierarchische Struktur, von nanoskopischen Strukturelementen bis hin zu mit bloßem Auge sichtbaren Merkmalen. Diese Eigenschaften waren für die hervorragende Batterieanodenleistung des Materials von entscheidender Bedeutung, die, wie das Team zeigte, über einen längeren Zeitraum hinweg eine hohe Lithiumkapazität beibehielt. LIB-Anoden müssen einem wiederholten Anschwellen und Schrumpfen standhalten, da bei jedem Entlade-/Aufladezyklus der Batterie eine große Menge Lithium absorbiert und dann freigesetzt wird.

Ressourcen

Wei, X., Lin, CC., Wu, C. et al. (2022) „Dreidimensionaler hierarchisch poröser MoS2-Schaum als hochfrequente und stabile Anode für Lithium-Ionen-Batterien.“ Nat Commun 13, 6006 doi: 10.1038/s41467-022-33790-z

Gepostet am 23. Dezember 2022 in Batterien, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (23)