Nature子刊：有了MoS2的精心呵护，Li-S电池再也不怕长枝晶了！

第一作者：Eunho Cha

通讯作者：Wonbong Choi

第一单位：北德州大学（美国）

Li-S电池素来以最可能首先取代锂离子电池为口号，其理论能量密度高达约2,600Whkg ^{− 1} ，是锂离子电池的5倍左右。由于锂金属质量较轻，作为负极材料不需要其他插层或者导电材料， 使得 比容量可达到3860 mAh g ^-1 ，氧化还原电位低至-3.04V。

图1. 锂离子电池、锂金属电池以及锂枝晶

WuXu, Ji-Guang Zhang et al. Lithium metal anodes for rechargeable batteries.Energy Environ. Sci. 2014, 7, 513–537.

问题在于：锂金属负极具有高反应活性，容易生成枝晶，并和电解质发生反应，严重影响Li-S电池的使用寿命和安全性等一系列问题。

有鉴于此，美国北德州大学Wonbong Choi团队报道了一种二维MoS ₂ 包裹的体相金属锂负极，实现了高效实用的Li-S电池性能。

图2. MoS ₂ 包裹的体相金属锂负极制备流程

研究人员首先在体相的锂箔表面溅射沉积10 nm厚的原子层MoS ₂ ，然后进行表面锂化，得到锂化的MoS ₂ 包裹的锂金属负极。原子层MoS ₂ 可有效防止金属锂负极与电解液直接接触。和碳、陶瓷及相关复合材料等包裹层相比，MoS ₂ 的超薄原子层结构以及半导体-金属相变特征更有效地解决了高阻抗和界面接触不良的问题。

一方面 ，大量Li ⁺ 可以插入原子层结构的MoS ₂ ， 减少界面电阻 ，促进Li ⁺ 在体相锂金属负极中的连续插入和脱离，确保工作电流密度可以达到实用所需要的3 mA cm ^-2 以上。

另一方面 ，MoS ₂ 增强的导电性消除了锂枝晶的成核位点， 减少了枝晶的形成 ，实现了锂的稳定电沉积。

图3. MoS ₂ 包裹的体相金属锂负极形貌表征

和表面裸露的锂金属负极相比，这种MoS ₂ 包裹的锂金属负极对称电池在高达10 mA cm ^-2 电流密度下的沉积和溶解过程中，可以保持较低的电压迟滞，循环寿命也提高了3倍。

图4. MoS ₂ -Li和裸露的Li金属负极循环性能对比

图5. 全电池性能

以三维碳纳米管-硫作为正极，MoS ₂ 包裹的锂金属作为负极构建的全电池中，比能量密度可达到589Wh kg ^-1 ，功率密度295 W kg ⁻¹ ，在0.5C条件下循环1200次的库伦效率约98%，容量保持率约84%。