硫化钒二维材料应用于二次碱金属离子电池

近年来,随着能源和环境问题的日益加剧,绿色可再生能源成为了研究的热点。这些清洁能源在时间、空间上分布不均匀,需要匹配有相应的能量储能装置如锂离子电池等进行有效存储和可控释放。然而,有限的锂资源是制约锂离子电池进一步发展的一个重要因素。钠和钾在地壳中储量丰富、成本更低,并且与锂具有相似的电化学性质。因此,基于钠和钾离子的二次电池有可能成为替代锂的下一代电池。其中一个关键科学问题是寻找合适的电极材料。二维材料由于其独特的物理和化学性质,广泛用于传感、光电和储能等领域中。硫化钒(VS2)是二维材料中的重要一员,但是目前针对VS2的储能研究相对比较匮乏。

苏州大学的李彦光团队首次采用了溶剂热法成功制备了一种超薄的具有分级结构的VS2纳米片,并且将它应用于多种二次碱金属离子电池中。材料合成的关键是以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂。NMP具有较低的粘度和较高沸点,有利于原料的溶解并且能够承受较高的反应温度。此外,NMP具有和二维过渡金属硫属化合物(TMD)接近的表面能,能够稳定二维材料特殊的结构并且防止团聚。

VS2纳米片展现了突出的电化学储锂、钠和钾性能。它具有良好的可逆容量(Li+ >1000 mAh/g, Na+ ~ 700 mAh/g, K+ ~ 400 mAh/g), 可观的倍率性能(在 10 A/g时,维持Li+ ~ 570 mAh/g;在 2 A/g时,维持Na+ ~ 400 mAh/g, K+ ~ 100 mAh/g)和优异的循环稳定性。特别是其储钠和钾的电化学性能相对于现有的电极材料的优势十分明显。DFT计算表明,层状结构的VS2对于三种碱金属离子有较大的吸附能和较小的迁移阻碍,有利于离子在材料中的电化学反应。此外,有序的分级结构也对材料的性能具有重要作用。这项研究工作揭示了VS2在电化学储能领域的巨大潜力。

这一成果近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201702061)上,文章的第一作者是苏州大学硕士研究生周军华和副教授王璐博士。