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多功能超结构正极可以克服与二价锌离子插层反应相关的缓慢动力学和体积变化大的关键问题，从而促进锌离子电池的实际应用。中国科学院上海应用物理研究所的研究者合作设计了稳定的高倍率MoS2/C19H42N+（CTAB）超结构正极，通过将有机CTAB并入形成超晶格结构的刚性MoS2主体中，不仅通过显著扩展MoS2层间间距（1.0nm）有效地引发Zn2+传输路径，而且赋予结构稳定性以适应Zn2+存储以及沿MoS2平面内的扩展，而通过原位同步加速器X射线衍射和大量的非原位表征证明，沿超晶格中间层的同步收缩实现了整个正极的体积自调节。因此，优化的超晶格正极具有高倍率性能、长期循环稳定性(10 A g−1循环2100次的容量保持率为92.8%）和软包电池的良好柔韧性。此外，即使在负载质量增加10倍(~11.5 mg cm−2 )后也能实现较高的面容量（0.87mAh cm−2）。这项工作突出了用于高性能水系电池的多功能超晶格电极的设计。相关成果以题为“A Volume Self-Regulation MoS2 Superstructure Cathode for Stable and High Mass-Loaded Zn-Ion Storage”发表于ACS Nano。

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02330

锂离子电池由于其重量轻、能量密度高、循环寿命长，被广泛应用于智能手机、个人电脑、电动汽车等领域，然而锂离子电池在大规模储能中的应用受到一些重要因素的阻碍，例如相对较高的成本和安全问题。在这方面，水系可充电锌离子电池（ARZIB）可能为这些问题提供了一个有效的解决方案。ARZIB因其高安全性、高稳定性和低成本而备受关注，特别是ARZIBs提供相对较低的Zn/Zn2+氧化还原电位，高理论容量以及锌负极在中性电解质中的高稳定性。尽管具有多重优势，但ARZIBs的广泛应用受到循环寿命较低及对电流滥用耐受性较弱的限制，这被认为是源于不稳定的正极材料和主体框架中二价离子的缓慢扩散动力学。因此，合理设计正极材料的结构，实现高稳定、快速的Zn2+存储，对ARZIBs的发展具有重要意义。

二硫化钼（MoS2）是一种典型的层状过渡金属卤化物，由于其层状结构与弱范德华力结合，被认为是Zn2+存储的理想正极材料。然而，MoS2在Arzib中的应用表现不佳，就电池的反应机理而言，这是由于含水电解质中的水合Zn2+离子在插入主体结构时需要克服相对狭窄的夹层。此外，Zn2+与主体结构中的阴离子之间的强库仑相互作用和结构崩塌阻碍了扩散动力学，并最终导致容量在循环过程中快速退化。为了解决这些问题，已经提出了几种有效的策略来激活惰性MoS2正极的容量，包括引入硫空位、用氧原子部分取代硫原子，以及引入石墨烯或结晶水合物以扩大层间间距，但刚性MoS2主体结构在Zn2+插入过程中不可避免地会发生体积变化，这将导致结构崩溃和电接触损失，导致不可逆容量衰减。为了克服上述缺点，设计一种具有多功能性的MoS2结构，不仅有效激活和平滑Zn2+传输路径以实现快速动力学，而且还能缓解体积膨胀和应力，提高循环稳定性。

总之，作者提出了MoS2−CTAB有机−无机超晶格结构，以扩大锌离子存储正极材料的层间空间，同时缓解主体结构的体积膨胀。这种策略展示了在Zn2+插入/提取期间的界面演化过程，在这种超晶格结构中，MoS2单层由CTAB层交替分离，随着有机分子的插入，层状无机主体的层间间距显著增加（1.0nm），此外，有机分子和无机材料之间紧密的相互作用加强了层状结构。作者证明了刚性MoS2主体有助于提高容量，而CTAB子层起到缓冲层的作用，以缓解膨胀应力并保持结构稳定性，这对获得优异的电化学性能至关重要。这种合理设计的超晶格结构赋予了MoS2−CTAB正极具有高倍率性能、长期循环稳定性和软包电池良好的灵活性。即使在负载质量增加10倍（11.5 mg/cm−2）后，电极仍表现出较高的面容量，这表明其具有很大的实际应用潜力。这项工作不仅是一个具有多功能超晶格结构的模型，该结构可以协同扩展层间空间和自调节体积膨胀，而且还为设计高性能水系可充电锌离子电池正极材料提供了巨大前景。（文：李澍）

图1 （a）MoS2−CTAB的合成示意图（b）原始MoS2和MoS2−CTAB的SXRD图（c，d）原始MoS2和MoS2−CTAB的HRTEM图像（e）MoS2−CTAB的TEM-EDS图（f−h）MoS2−CTAB的XPS光谱（i）原始MoS2和MoS2−CTAB的热重分析（j）CTAB、原始MoS2和MoS2−CTAB的拉曼光谱（k）CTAB和MoS2−CTAB的红外光谱

图2 （a）0.2−1.3V间的恒流充放电曲线（b，c）在Zn2+插入/脱出过程中MoS2-CTAB中垂直面（001）和面内（110）衍射峰的原位SXRD图（d）Zn2+插入过程中MoS2-CTAB的反应示意图（e，f）MoS2−CTAB电极充放电过程的HRTEM图（g）MoS2−CTAB电极处于完全放电状态的TEM EDS图（h）在原始、完全放电和完全充电状态下Zn的XPS光谱

图3 原始MoS2和MoS2−CTAB的CV曲线、EIS图以及GITT分布

图4 （a）原始MoS2和MoS2−CTAB的CV曲线（b）原始MoS2和MoS2−CTAB的倍率性能（c）MoS2-CTAB的恒流充放电曲线（d）MoS2−CTAB的循环性能（e）柔性MoS2−CTAB软包电池的循环性能（f）柔性MoS2−CTAB软包电池的恒流充放电曲线（g）柔性MoS2-CTAB软包电池LED照明的照片

图5 （a）具有高质量负载的MoS2-CTAB电极照片（b）制备的MoS2−CTAB电极的质量和尺寸的图（c）MoS2−CTAB电极的面载荷和厚度图（d，e）不同质量负载的MoS2-CTAB电极的典型电压曲线和面电容（f）不同质量下的面容量与面负载及容量保持率（g）MoS2−CTAB电极与各种正极材料的面容量性能指标对比

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