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Arumugam Manthiram教授AEM: MoTe2-CNT作為鋰硫電池的雙功能電催化劑

鋰硫（Li-S）電池具有能量密度高、成本低的優點，但多硫化物的穿梭效應、緩慢的反應動力學和不可控的鋰枝晶生長等缺點嚴重阻礙了其發展。MoTe₂作為硫正極和鋰金屬負極的主體材料都很有吸引力。然而，少層1T’-MoTe₂納米片的可控合成仍然是一個主要障礙。

在此，美國德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授等人首次通過簡單的水熱工藝在碳納米管上原位生長了金屬1T’-MoTe₂納米片（MoTe₂-CNT）。令人印象深刻的是，獨立的MoTe₂-CNT可用作元素硫和金屬鋰負極的有效主體，同時解決Li-S電池的多個問題。

精心設計的MoTe₂-CNT具有幾個引人注目的優勢：首先，1T’-MoTe₂是具有高導電性的金屬，使其適合于電子傳輸。其次，由于Li的高反應性，MoTe₂可以在Li負載過程中將其原位轉化為Li₂Te和金屬Mo。轉變后的Mo相作為后續鋰沉積的有利成核位點，原位形成的具有高離子電導率的Li₂Te有利于快速的鋰離子擴散和穩定的電鍍/剝離。

圖1. MoTe₂-CNT/Li與S/MoTe₂-CNT的合成示意圖

更重要的是，當MoTe₂-CNT/Li負極與S/MoTe₂-CNT正極配對時，在MoTe₂-CNT/Li負極上形成了一種獨特的薄碲化和富硫的硫代碲酸鋰（Li₂TeS₃）。形成的SEI進一步穩定了鋰的沉積，延長了體系的循環壽命。

因此，具有≈2.5的N/P比和7.6 mAh cm^-2的高面積容量的紐扣全電池在500次循環后顯示出75% 的容量保持率。使用 MoTe₂ -CNT組裝的軟包電池在≈2.9 μL [mAh]^-1的低電解液/容量比和4.5 μL mg^-1的低電解液/硫比下提供1533 mAh g^-1的高容量和319 Wh kg^-1的能量密度。這項研究為開發長壽命、實用可行的高能量密度鋰硫電池鋪平了道路。

圖2. MoTe₂-CNT/Li負極的形貌和結構演變表征

圖3. S/MoTe₂-CNT||MoTe₂-CNT/Li全電池的電化學性能

In Situ Grown 1T′-MoTe₂ Nanosheets on Carbon Nanotubes as an Efficient Electrocatalyst and Lithium Regulator for Stable Lithium-Sulfur Full Cells, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202103204

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