Advanced Functional Materials:鳞石英/碳纳米反应器-硫化物储钠“提效、增量、延寿”利器

如何抑制电极膨胀、溶解、坍塌及界面副反应一直是储钠电池材料领域的一大难题,尤其是在前数个循环周期,电极材料会因Na+最初的破坏式嵌入而引发容量断崖式衰退。金属硫化物作为高期望、高比容量转化/合金化反应并存的储钠负极材料,所表现出的电化学性能却不尽人意,比如库伦首效低下(碳酸酯类电解质中,其效率值大多低于70%),循环过程中电极可逆容量不高且衰退迅速,这主要是由于大量不可逆界面副反应、多步骤相转变过程、材料储钠后结构畸变粉化所造成。为解决上述问题,西南大学洁净能源与先进材料重点实验室蒋建课题组与武汉理工大学刘金平教授团队进行了深入探讨,提出为硫化物负极专门设计构建鳞石英/碳反应器结构,使得活性物涉及的所有可逆反应均严格限制在功能化反应器内部进行,相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009598)上。

特别地,我们专门选用SnS2、ZnS等纳米颗粒组成的微球作为研究案例,因为纳米材料体表比高且界面反应活性强,储钠反应时更易暴露出硫化物材料的缺陷。值得注意的是,鳞石英/碳反应器能表现出良好的Na+渗透性以及出色的机械和电化学耐受性,能在碳酸酯类电解质条件下显著提升SnS2库伦首效(从56.9%增长至89.13%),同时使得电极具备较高初始比容量(~733.24 mAh g-1),高容量持续循环能力/稳定性及优异的倍率特性。通过循环后电极结构系统分析,我们认为鳞石英/碳反应器外表面仅形成少量极薄(~5.7 nm)且稳定不变的SEI膜结构是负极实现超高库伦首效的关键因素。另外,鳞石英/碳反应器抗压、抗电化学腐蚀性强,微观结构始终保持完好无损且未出现任何元素价态变化,确保了硫化物负极在循环过程中高效稳定的运行。