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Revealing the Effects of Electrode Crystallographic Orientation on Battery Electrochemistry via the Anisotropic Lithiation and Sodiation of ReS2

材料科学 电化学 各向异性 电池(电) 电极 插层(化学) 纳米晶 密度泛函理论 结晶学 纳米技术 无机化学 化学 物理化学 计算化学 光学 物理 功率(物理) 量子力学
作者
Qianqian Li,Yaobin Xu,Zhenpeng Yao,Joohoon Kang,Xiaolong Liu,Chris Wolverton,Mark C. Hersam,Jinsong Wu,Vinayak P. Dravid
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (8): 7875-7882 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b02203
摘要

The crystallographic orientation of battery electrode materials can significantly impact electrochemical performance, such as rate capability and cycling stability. Among the layered transition metal dichalcogenides, rhenium disulfide (ReS2) has the largest anisotropic ratio between the two main axes in addition to exceptionally weak interlayer coupling, which serves as an ideal system to observe and analyze anisotropy of electrochemical phenomena. Here, we report anisotropic lithiation and sodiation of exfoliated ReS2 at atomic resolution using in situ transmission electron microscopy. These results reveal the role of crystallographic orientation and anisotropy on battery electrode electrochemistry. Complemented with density functional theory calculations, the lithiation of ReS2 is found to begin with intercalation of Li-ions, followed by a conversion reaction that results in Re nanoparticles and Li2S nanocrystals. The reaction speed is highly anisotropic, occurring faster along the in-plane ReS2 layer than along the out-of-plane direction. Sodiation of ReS2 is found to proceed similarly to lithiation, although the intercalation step is relatively quicker. Furthermore, the microstructure and morphology of the reaction products after lithiation/sodiation show clear anisotropy along the in-plane and out-of-plane directions. These results suggest that crystallographic orientation in highly anisotropic electrode materials can be exploited as a design parameter to improve battery electrochemical performance.

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