出于對鋰離子電池（LIBs）安全性與環保性的憂慮，低成本、高儲量、安全高效和高能量密度的水系鋅離子電池（ZIBs）逐漸進入大眾視野，但由于水合鋅離子較大的離子半徑因而其嵌入動力學緩慢而缺乏適當的正極材料，水系鋅離子電池的性能存在缺陷。
近日，阿卜杜拉國王科技大學的Husam N. Alshareef團隊報道了一種通過調控嵌入能量將非活性鋅離子水溶液主體轉變為高效儲鋅載體的高效通用策略。他們以二硫化鉬（MoS2）為模型體系，利用實驗手段和理論計算方法證明，即便是原本Zn2+擴散十分緩慢的體系也可以實現快速的Zn2+傳導。通過簡單的氧摻雜的方法可以實現層間間距和親水性的調節，將Zn2+在MoS2中的擴散速率提高了3個數量級，使得原本幾乎不具活性的MoS2性能提升了10倍，出鋅容量達到232 mAh/g。
MoS2-O納米片的結構表征
與鋰或鈉相比，二價鋅在充/放電過程中會發生兩個電子的轉移，因此對于相同數量的離子插入具有更大的存儲容量，但二價性也使其與水分子發生強烈的相互作用，鋅離子在水溶液中會形成尺寸較大的絡合物。由于ZnII-H2O與S的相互作用較弱，且MoS2表現為疏水性，Zn2+在MoS2中嵌插過程并不順利。而當用氧原子取代S后，MoS2層的親水性會增強，ZnII-H2O-O相互作用也隨之變強，進而降低嵌入能。研究顯示，嵌入過程中所需的有效能量與Zn2+水化程度的關系，隨著層間距的增大，嵌入過程中所需破壞的ZnII-H2O鍵的數目減少，從而獲得較低的能量；而O修飾之后的MoS2能量會進一步降低，這表明層間距和親水性調節可以極大地促進Zn離子在MoS2中的嵌入動力學過程，通常也可以促進所有金屬硫族化合物的性能。
研究人員用硫脲和鉬酸銨水熱反應制得MoS2納米片，通過降低反應溫度使鉬酸鹽前驅體無法完全分解，使一部分的Mo-O鍵與硫脲反應，生成含氧的MoS2，即MoS2-O納米片。研究結果顯示，MoS2-O電極較MoS2電極具有更高的比容量與擴散動力學性能。MoS2-O電極的鋅離子電池電化學反應機理可以解釋為：Zn2+在層狀宿主中的嵌入脫出、2H相到1T相MoS2的可逆轉變和ZHS可逆的析出/溶解過程。
該工作所采用的方法廣泛適用于金屬離子在過渡金屬氧族化合物以及其他層狀化合物中的容量改善。研究成果發表在國際知名期刊Nano Letters上。
