【摘 要】
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水系锌离子电池由于金属锌负极理论容量高（5855 mAh cm-3和820 mAh g-1）、水兼容性良好、电极电位较低（-0.763 V vs.标准氢电极）受到广泛关注。尽管如此,二价Zn2+与正极材料之间的强静电相互作用所造成的电极结构退化、扩散动力学缓慢等问题严重限制了水系锌离子电池的发展。因此,开发能够高效、稳定、快速Zn2+储存的正极材料是推动水系锌离子电池发展的关键之一。针对以上难点,
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水系锌离子电池由于金属锌负极理论容量高（5855 mAh cm-3和820 mAh g-1）、水兼容性良好、电极电位较低（-0.763 V vs.标准氢电极）受到广泛关注。尽管如此,二价Zn2+与正极材料之间的强静电相互作用所造成的电极结构退化、扩散动力学缓慢等问题严重限制了水系锌离子电池的发展。因此,开发能够高效、稳定、快速Zn2+储存的正极材料是推动水系锌离子电池发展的关键之一。针对以上难点,本论文创新性地设计了三种MoS2基复合材料用作水系锌离子电池正极,通过结构改性、储能机制升级策略逐步提升了MoS2基材料的水系储锌活性,并系统地评估和探索了所制备MoS2基化合物的电化学性能、电极过程动力学和电荷储存机制。主要研究内容如下:（1）基于层间扩大工程合成了一种新颖的MoS2/石墨烯复合材料,其中插层石墨烯将MoS2层间距从0.62 nm显著扩大至1.16 nm。MoS2/石墨烯中含有大量金属1T-MoS2相,且石墨烯中残留了部分含氧基团,这赋予了该材料更高的离子/电子导电性和良好的亲水性。水热过程中,MoS2/石墨烯纳米片自组装成花状结构,显著抑制了石墨烯层、MoS2层的堆叠,有利于电解液渗透、促进Zn2+传输、维持结构稳定。得益于这些结构优势,MoS2/石墨烯作为水系储锌正极表现出显著提升的倍率容量（0.1 A g-1下储锌容量为283.9 mAh g-1,5 A g-1下储锌容量为141.6 mAh g-1）和出色的循环稳定性（经过1000周循环后具有87.5%的保持率）。通过电化学测试和理论计算系统地证明了 MoS2/石墨烯电极具有较高的Zn2+扩散系数和较低的Zn2+迁移能垒。通过多重非原位表征详细阐明了循环过程中Zn2+嵌入/脱出行为诱导的2H-与1T-MoS2可逆相变的电荷储存机制。作为概念的证明,使用MoS2/石墨烯工作电极组装的准固态锌离子电池表现出良好的实用性。（2）基于原位分子工程将结构缺陷和晶格氧植入MoS2结构中（D-MoS2-O）,成功激活了 MoS2惰性基面并扩大层间距至0.96nm,实现了沿MoS2基面和ab轴更加高效的三维锌离子传输。另外,富金属1T-MoS2相赋予D-MoS2-O材料良好的电子导电性和亲水性。垂直生长在碳布基体上的D-MoS2-O纳米片可有效抑制MoS2层堆积,且有利于电解液浸润和Zn2+扩散。得益于以上优势,D-MoS2-O正极表现出优异的高倍率性能（0.1 Ag-1下的放电容量为289.1 mAh g-1,10 A g-1下的放电容量为102.4 mAh g-1）和长循环耐久性（1000次循环后相比最高容量保持率为90.5%）。电化学测试表明D-MoS2-O电极具有较高的Zn2+扩散率,理论计算证明了 D-MoS2-O材料中可行的三维Zn2+传输和低离子迁移能垒。另外,采用D-MoS2-O正极组装了可穿戴准固态电池,即使在严重弯曲状态下也能够稳定地运行,表明其出色的实用性。（3）基于正极和电解液的合理设计成功破译了 Zn-MoS2电池中的质子插层化学。通过剥离-回流策略将聚（3,4-乙烯二氧噻吩）嵌入MoS2层间（MoS2/PEDOT）,插层PEDOT不仅将MoS2层间距从0.62 nm显著扩大至1.29nm,还增强了电子导电性、加固了层状结构。更重要的是,MoS2/PEDOT正极显示出可逆的H+/Zn2+共插层机制,其中PEDOT诱导的质子插层化学可有效屏蔽MoS2/PEDOT与二价Zn2+之间的静电相互作用,提出了“质子润滑剂”加速Zn2+传输的新概念。得益于结构改性和储能机制升级的双重优势,MoS2/PEDOT电极表现出优越的高倍率性能（0.1 A g-1和15 A g-1电流密度下的储锌容量分别为312.5mAhg-1和83.6mAhg-1）和长循环寿命（4000周循环后容量保持率为90.1%）。另外,使用MoS2/PEDOT电极组装了准固态纤维型锌离子电池,在低温和严重弯曲状态下表现出良好的循环稳定性,说明应用前景良好。
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