在开发可再生能源和电动汽车等可持续技术的过程中，电能的存储与发电同等重要。如何提高电池性能是一个具有重大科学意义的研究领域。大量研究表明，二硫化钼复合材料对于提高电池的功率、储能能力、充电速度和稳定性发挥了关键作用。
笔记本电脑、移动电话、电动摩托车滑板车和大量其他可充电设备都依赖锂离子/石墨（LIB）电池。一些科学家和城市规划者设想未来电池可以驱动更多的东西，如为飞机甚至整个城市提供动力。但这些想法包括更长续航里程的电动汽车，仍然受到锂离子电池石墨阳极存储容量较低的限制。然而，研究人员最终可能找到强有力的解决方案来解决这个问题。科学家发现某些二硫化钼（MoS2）复合阳极的存储容量是石墨的2-3倍。因此，含钼化合物可以显著提高现有电池的储能能力。
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二硫化钼用于电池的历史
从电动剃须刀到无人机、电动汽车，电池无处不在。什么是电池，钼又是如何参与其中发挥作用的？电池是将化学能转换成电能的一个或一组装置。每个电池包含一个负极即 “阳极”， 和一个正极即“阴极”。阳极和阴极，一般被称为 “电极”，都浸没在导电的电解液中。例如，车辆所用的传统铅酸蓄电池的电解液是硫酸。这些电池含有铅电极，不仅非常重，还有其他缺点，包括能量密度低、污染环境等。这些缺点促使了20世纪70年代和80年代新型可充电电池的发展。早期是镍氢电池（NiMH），它依赖于氢离子在正负极间的最佳交换。后来锂离子电池取代了镍氢电池大部分的市场份额，锂离子电池极大地提高了能量密度，降低了寿命周期成本，延长了电池寿命，已用作当今大多数笔记本电脑和其他电子消费品的电源。
可充电电池的种类
锂离子电池由锂金属（钴、镍、锰或铝）氧化物阴极和石墨阳极组成。在充电过程中，电子（e-）从阴极沿外部电路到达阳极，锂离子Li+进入电解液。当用电池为设备供电时，会发生相反的运动。在MoS2电池中，MoS2或复合材料取代了石墨阳极。
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钼此时已参与进来。早期（20世纪80年代）的可充电锂电池设计使用了MoS2阳极，比现在的镍镉电池（是当时标准的可充电电池）提供更多的电能，且没有记忆效应。遗憾的是，该设计采用了高活性锂金属，导致了过热和火灾。并且，由于锂-MoS2性能下降，经过若干充电/放电循环后电能会损失，从而限制了其使用寿命。人们对二硫化钼的商业兴趣减弱，但最近的研究表明，它可能是储能领域的下一个重要突破。
最常见的可充电设备采用锂离子电池供电 ©shutterstock.com/DW2630
二硫化钼与碳：结合在一起性能更佳
在电池的工作过程中，存储的离子数量越多，容量就越大。而且，这些离子移动速度越快，电池的效率就越高。如今，大多数锂离子电池都有锂金属（Co，Ni，Mn，Al）氧化物阴极和石墨阳极。由层层碳原子构成的石墨比MoS2（也是一种层状材料）具有更好的稳定性和导电性，但石墨层之间不能存储更多的锂离子。MoS2更宽的层间距使其存储容量为石墨的近两倍。
石墨、MoS2和MoS2/石墨烯复合材料的层结构和层间距。层间的间隙，可以容纳（“插入”）锂离子或钠离子，MoS2层间距几乎是石墨层的两倍。复合材料进一步提高了锂离子的存储容量。
当MoS2层与石墨烯或碳纳米管等高导电纳米材料层堆叠在一起时，阳极性能进一步提高。这种“复合”电极优于单独一种材料制成的电极。它结合了两者的优点：MoS2较大的Li+存储能力和快速的离子运动，以及石墨烯非凡的电导率，却不会有早期MoS2电池那种性能的退化。事实上，根据相关数据，锂离子复合电池技术具有两倍于相应的MoS2电池的初始容量，并且这种复合材料具有杰出的循环寿命，如下图所示。
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MoS2-RGO（还原石墨烯氧化薄层）阳极和裸MoS2阳极，容量随充放电循环次数增加的变化。尽管裸MoS2阳极在15～20次循环后损失了很多初始容量，但复合阳极却稳定得多。
开发下一代电池：锂空气电池和钠离子电池
新的研究表明，MoS2也可在开发下一代电池技术包括Li-O2（空气）和钠离子电池中发挥作用。虽然这些技术尚未商业化，但采用MoS2或MoS2/石墨烯复合材料的电极在实验室试验中表现出优异的性能。在钠离子电池中，MoS2比石墨更宽的层间间距对于容纳较大的Na+离子（Na+半径为0.10 nm，Li+半径0.076 nm）至关重要。此外，具有复合电极的钠离子电池，其存储容量高于单独MoS2和石墨烯电极的电池容量之和。
各种锂离子电池阳极材料的电化学性能数据汇总
（数据由T.Stephenson等人编制2014年）
*MoS2-石墨烯纳米片复合材料
从实验室到规模生产
可持续性是新技术开发的一个重要考虑因素。钼的生命周期清单数据集，支持生命周期成本（LCC）和生命周期评估（LCA）等评估工具。LCC衡量的是具有类似功能的不同电池技术之间总生命周期成本的差异。同样，LCA评估电池的生产、销售、使用和寿命结束对环境的影响。评估结果对于决定是否扩大规模至商业化生产越来越重要。
对于新技术来说，从实验室走向规模化生产是一个挑战，尤其是使用纳米材料的技术，比如这里要求各层为原子厚度。制造纳米石墨与二硫化钼复合材料的工艺不同于单独制造石墨和二硫化钼的工艺。
鉴于这些复合电极商业化后潜在的经济效果，实验室研究正在探索多种扩展规模的途径。例如，先将MoS2的前驱体四硫代钼酸铵水溶液和碳源（间苯二酚、甲醛和碳酸钠）混合，然后进行蒸压和煅烧，以水热法制备由嵌入到无定形碳基体的堆叠MoS2纳米片组成的复合材料（Das等，2012年）。
在一个巧妙的一步法工艺中，葡萄糖和四硫代钼酸铵的混合物热分解产生葡萄糖气泡，并最终在石墨烯中形成MoS2纳米薄片(Fei等，2018年）。还有方法使用碳纳米管或石墨烯作为“种子”，在上面种上MoS2。这些方法都产生了令人印象深刻的结果，且都具备工艺规模化的潜力。
揭示未来潜力
电池技术的挑战在于需要储存更多的电能，提供更多的电能，并能更快地充电。实验室的结果前景乐观，它表明MoS2可以在未来的电池经济中发挥作用。为了满足不断增长的人口和城市对能源的需求，同时减少碳排放，需要更高效、更环保的方式来生产和存储能源。随着制造工艺规模化的发展，MoS2复合电极有望在应对储能挑战方面发挥重要作用。
