Advanced Functional Materials: 二维金属硫化物纳米片自组装成三维空心分级微米花增强储钠性能

钠离子电池因其资源丰富、分布广泛、价格低廉等优点,日趋成为极具潜力的下一代储能设备,在大型储能系统中具有更广阔的发展前景,被认为是资源稀缺且价格昂贵的锂离子电池的有益补充。因此,开发具有高能量密度、长循环寿命和高安全性能的钠离子电池对维持能源的可持续发展具有重要意义。目前,钠离子的发展尚处于起步阶段,产业化道路上还存在许多挑战,其中负极材料是影响钠离子电池电化学性能的关键因素之一。近年来,二维层状WS2具有较大的层间距(0.62nm),为钠离子在循环过程的可逆脱嵌提供有效的扩散途径而受到研究者们的广泛关注。然而,WS2的低电导率以及在充放电过程中大的体积变化往往会导致较差的倍率和循环稳定性。因此,如何改善WS2负极材料的反应动力学以及结构稳定性对实现钠离子电池的实用化至关重要。

近日,中国科学院福建物质结构研究所温珍海研究员课题组和福州大学詹红兵教授课题组开展了相关的合作研究,采用溶剂热法将二维WS2纳米片自组装成三维空心分级微米花结构,其中空心微米花外壳由100nm左右大小纳米花所构成,纳米花由超薄的WS2纳米片组成,而WS2纳米片层之间被插入氮掺杂的导电碳层展现出少层(1-3层)且层间距(0.92nm)扩大的特性。作者通过控制实验对材料的合成机理进行了深入的研究,结果表明实验中所采用的表面活性剂和螯合剂对外观形貌以及内部结构表现出不同程度的影响。需要特别指出的是,本文中所阐述的自下而上自组装的合成方法相较于传统制备空心结构电极材料的模板法具有明显的优异性,不仅制备程序简单、高效,而且合成产物均一,同时还避免了模板法因后续化学刻蚀模板剂所带来的结构坍塌的困扰。另外,这种独特的WS2纳米片构筑而成的三维多级空心结构对于钠离子储存具有多重优势,不仅有效缓解电极材料在充放电过程中的体积膨胀问题,提高电极的结构稳定性,而且增大电极材料与电解液的接触面积,为钠离子的嵌入/脱出提供更多的氧化还原位点,表现出更加有利的电容性储存行为。密度泛函理论计算表明因导电碳层的插入明显减小了钠离子的扩散能垒,加速电化学反应动力学。研究者还采用准原位XRD以及透射电镜对WS2的储钠机理进行研究,表现出极好的可逆性。因此,当作为钠离子电池负极材料时展现出优异的循环稳定性和倍率性能,在1A/g大电流密度下循环1000圈后可逆比容量仍然能保持在375mAh/g。另外,本文所构建的钠离子全电池同样表现出稳定的循环性能和高能量密度,体现出在大电流快充领域极具潜力的实用价值。

研究者相信,此项研究将为钠离子电池电极材料电化学行为的深入理解提供启发,并为高效且低成本的功能材料设计提供新思路。相关研究成果以“Self-Assembling of Conductive Interlayer-Expanded WS2 Nanosheets into 3D Hollow Hierarchical Microflower Bud Hybrids for Fast and Stable Sodium Storage”为题发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201907677)。