Small:“离子蓄水池”——构筑双金属硫化物分级纳米结构实现高效钠离子存储

低成本大规模储能技术日益增长需求促使与锂离子电池类似的室温钠离子电池引起了广泛关注,室温钠离子电池由于其资源丰富、分布广泛、成本低廉、循环寿命长、穿刺安全等优点满足未来大规模的电化学储能需求。但是,较大的钠离子半径导致传统石墨负极不能有效脱嵌及存储Na+,因此,研究开发高效存储并可逆脱嵌Na+的负极材料是钠离子发展的关键。金属硫化物材料因其高理论比容量,是一类较理想的钠离子电池负极材料。然而,其在充放电过程中的结构不稳定性、缓慢的离子扩散和较差的导电性严重限制了其商业化应用。开发一种具有较好稳定性和快速离子扩散的电极结构,对发展钠离子电池负极材料进一步应用具有非常大意义。

厦门大学彭栋梁教授和瞿佰华副教授课题组通过水热和硫化策略构建出分级的锌锡硫化物纳米结构(ZnS-NC/SnS2),并对分级结构其演变过程进行了详细的表征分析。组装成钠离子电池器件以及电化学性能测试得出,ZnS-NC/SnS2双金属硫化物在0.2 A g-1的电流密度下,100次循环后展现出高达600 mAh g-1的可逆比容量。同时,在1 A g-1的大电流密度下,循环500次过程中每圈仅0.08%的比容量损失。基于其优异的电化学性能,利用循环伏安法(CV)对其电化学动力学进行分析,计算出该电极反应随着电流密度增加,其赝电容效应越明显,在2mV s-1的扫速下,能实现高达96%的赝电容贡献率。进一步利用GITT测试分析,证实双金属异质电极材料相对于单金属硫化物,具有更快的Na+扩散动力学。通过研究微纳分级结构与电化学性能之间构效关系发现:中空分级结构具有大量孔隙空间,为电极的长循环充放电过程提供稳定的结构;同时,MOF基碳化衍生提供原位N原子掺杂使该材料具有丰富的储Na+活性位点,有效提升了材料的存储Na+能力;并且,双金属异质界面能有效促进离子扩散动力学,同时贡献高的表面的赝电容效应,提升了电极循环稳定性和倍率性能。 研究者相信,合理构建分级双金属微纳结构即基于“离子蓄水池”模型,为实现高效离子存储在锂离子电池、钠离子电池电极材料研究领域提供新的思路。相关论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201907261)上。