Advanced Functional Materials: 向理论的目标迈进——促进转化反应型电极储钠理论容量的实现

二次可充电电池在便携式电子、电动汽车等能源消费领域已得到了广泛应用,也将为不断增长的太阳能、风能等清洁能源提供能量储存。高性能电极的设计是实现高能量密度和大功率密度二次电池的关键。转化反应型电极材料因在电化学反应过程中经历多电子转移的相变过程极大地丰富了二次电池的电化学体系,并且相比于传统嵌入反应型电极材料而言具有更高的理论容量。电化学转化反应概念最早在过渡金属氧化物中提出,近十年来在锂离子电池研究领域得到了广泛关注。转化反应型材料,例如氧化物,硫化物等,应用在锂离子电池中已成功实现了完全的转化反应和高可逆性,基本达到了其储锂理论容量。然而,当此类材料作为钠离子电池的电极材料时,其储钠容量与理论值相差甚远,严重限制了其在钠离子电池中的应用。通常认为由于钠离子半径较大导致反应动力学缓慢是导致转化类电极储钠实际可逆容量低的主要原因。研究工作者们进行了大量探索促进反应动力学的提升,尽管取得了很大的进展,但储钠可逆容量与理论值仍有巨大差距。

针对上述问题,浙江大学材料科学与工程学院姜银珠教授研究团队从首次放电过程中初始嵌入反应和后续转化反应的关联关系出发,通过过渡金属掺杂的策略促进初始钠离子嵌入过程和逆转化反应动力学,成功的实现了金属硫化物对钠的完全转化反应和高的反应可逆性,大幅提高了其可逆容量。以Fe掺杂SnS2为例,掺杂后的电极相比于未掺杂的样品而言,其首次放电容量和可逆充电容量都得到了极大提升。一方面, DFT计算表明掺杂可以明显降低钠离子的嵌入能量,说明掺杂在热力学层面上有利于更多的钠离子嵌入,从而促进了后续转化反应的完全发生,并进一步与浙江大学电镜中心田鹤教授合作通过原位透射电镜表征证明了掺杂样品转化反应的完全发生。另一方面,过渡金属元素以金属态存在于金属硫化物的逆转化反应过程中,从而在动力学上促进了转化反应的可逆性。得益于完全的转化反应和高的可逆性,金属硫化物获得了接近储钠理论容量的高可逆容量。

研究者相信,此项研究为高性能转化反应型电极的开发开辟了一条新的途径,并为转化反应机理提供了新的认识。相关工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、浙江省自然科学基金的资助。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906680)上。