Amorphous MoS3 Anchored within Hollow Carbon as a Cathode Material for Magnesium-Ion Batteries

材料科学 阴极 无定形固体 阳极 化学工程 动力学 硫化物 离子 扩散 纳米技术 化学 电极 冶金 结晶学 有机化学 物理化学 工程类 物理 热力学 量子力学
作者
Yan Liu,Ao Xu,Jiahui Wang,Fuyi Jiang,Huan Pang,Jian Yang,Yanli Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (48): 33197-33209 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c12188
摘要

Magnesium-ion batteries are considered the next-generation promising large-scale energy storage devices owing to the low-cost and nondendritic features of metallic Mg anode. Nevertheless, such strong electrostatic interaction between bivalent Mg2+ and crystalline cathode materials will lead to low capacity and poor diffusion kinetics, which seriously hinders the further development of magnesium-ion batteries. Herein, amorphization and anion-rich strategies are employed to prepare well-designed cathode materials with MoS3 anchored on hollow carbon nanospheres (a-MoS3/HCS). The amorphous MoS3 provides unrestricted 3D diffusion access and effectively boosts the Mg2+ diffusion kinetics, while the anion-rich feature of MoS3 offers rich active sites for Mg2+ storage and finally contributes to a high discharge capacity driven by the anionic redox mechanism. Moreover, the effective modification of hollow carbon nanospheres buffers the volumetric changes of MoS3 and improves the electron transfer efficiency. Owing to the above-mentioned multiple advantages, a-MoS3/HCS exhibits an ultrahigh discharge capacity (489.2 mAh g-1 at 50 mA g-1) and high cyclic performance (200.1 mAh g-1 at 2 A g-1 for 300 cycles), distinctly superior to those of crystalline 1T/2H-MoS2/HCS and 2H-MoS2/HCS and surpassing almost all of the molybdenum sulfide-based cathodes. Furthermore, the high-performance a-MoS3/HCS-based pouch cell with the ability to drive various mini-type devices confirms the potential application values. The excellent magnesium storage properties of a-MoS3/HCS are further verified by the related kinetics analysis, DFT theoretical calculation, and reversible electrochemical reactions. The amorphous and redox-rich tactics of a-MoS3/HCS provide an innovative pathway to explore high-efficiency cathode materials for various multivalent-ion batteries.
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