“离子储库”提升储钠性能大揭秘!

Boosting Sodium Storage of Fe1-xS/MoSComposite via Heterointerface Engineering

Song Chen, Shaozhuan Huang, Junping Hu, Shuang Fan, Yang Shang, Mei Er Pam, Xiaoxia Li, Ye Wang, Tingting Xu, Yumeng Shi*, and Hui Ying Yang*
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 80
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0311-z
本文亮点
1 设计合成了具有“离子储库”界面的Fe1-xS/MoS2异质结构,有效降低了钠离子扩散势垒、促进了电荷转移速率,从而赋予了电极材料优异的循环稳定性和倍率性能。
2 深入分析了异质界面与储钠性能之间的动力学关系,为下一代高性能能量存储器件的设计开发提供了丰富的灵感。
内容简介
新加坡科技设计大学Yang Hui Ying副教授课题组与深圳大学时玉萌教授课题组合作,设计合成了具有丰富的“离子储库”的Fe1-xS/MoS2异质结构应用于钠离子电池。陈松博士为论文的第一作者。
Fe1-xS/MoS2复合结构能有效抑制Fe1-xS在电化学循环中产生的较大体积变化并提高电极导电性。DFT理论计算结果进一步表明,异质界面有效降低了钠离子的扩散势垒,提高了电荷转移速率,从而赋予了复合结构优异的循环稳定性和倍率性能。
研究背景
钠离子电池由于具有与锂离子电池相似的理化性质且资源丰富,成为目前有望取代传统锂离子电池的新一代储能体系。然而,更大的钠离子半径严重降低了反应动力学,从而恶化了电极材料的电化学性能。而要实现高性能储钠的关键就是要合理设计能有效脱嵌钠离子的电极材料。近年来,过渡金属硫化物由于其优异的性能引起了广泛的关注。其中,Fe1-xS因其高的理论容量成为了研究热点,然而,由于纯Fe1-xS导电性差,同时循环中伴随着巨大的体积改变,限制了其作为电极材料的应用。

图文导读
Fe1-xS/MoS2复合结构的制备过程与结构分析
以普鲁士蓝立方块作为前驱体,合成了Fe1-xS/MoS2复合异质结构。如图1所示,MoS2纳米片均匀的生长在Fe1-xS的表面,XRD和XPS也证实了两者的成功复合。

图1 Fe1-xS/MoS2复合结构的(a)合成示意图, (b)XRD, (c)XPS, (d)SEM,(e)TEM, (f)HRTEM和(g)EDS mapping图。

Fe1-xS/MoS2复合材料的储钠性能
电化学性能测试结果表明,相比于纯Fe1-xS,Fe1-xS和MoS2的协同作用使Fe1-xS/MoS2异质结构展现了更优异的循环稳定性以及倍率性能。特别是在1000 mA/g的电流密度下,仍表现出良好的结构稳定性。
图2 (a)Fe1-xS/MoS2的CV图; (b)Fe1-xS/MoS2的在100 mA/g下的恒电流充放电曲线图; (c)纯Fe1-xS和Fe1-xS/MoS2在100 mA/g下的循环性能比较图; (d)倍率性能比较图; (e)Fe1-xS/MoS2在不同电流密度下的恒电流充放电曲线图; (f)与文献报道的硫化铁负极材料倍率性能比较图; (g)纯Fe1-xS和Fe1-xS/MoS2在1000 mA/g下的循环性能比较图。
Fe1-xS/MoS2复合材料的储钠反应机理
(1) 结合原位XRD深入探究了Fe1-xS/MoS2在充放电过程中的储钠机理,证实了MoS2组分在循环中保持复合结构稳定的关键作用。图3 Fe1-xS/MoS2在首次充放电过程中的原位XRD图。
(2) DFT理论分析表明,Fe1-xS/MoS2界面具有更低的钠离子扩散势垒,促使大量的钠离子储存在界面处,形成所谓的“离子储库”,从而有效促进了电化学反应动力学,使得复合结构呈现优异的倍率性能和长的循环寿命。
图4 (a)Fe1-xS/MoS2异质界面示意图; (b)纯Fe1-xS表面与Fe1-xS/MoS2界面钠离子扩散势垒比较; (c)Fe1-xS/MoS2充放电过程的反应机理示意图。
作者简介

Yang Hui Ying

(本文通讯作者)

新加坡科技设计大学副教授,博士生导师

主要研究领域锂-硫电池电极材料与器件,以及电化学储能用炭材料和新型二维MXene材料等。长期致力于先进材料科学领域,通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术。

Email: yanghuiying@sutd.edu.sg

时玉萌

(本文通讯作者)

深圳大学教授,博士生导师

主要研究领域长期致力于低维度纳米材料的研究,尤其以低维纳米材料的合成制备作为坚实的研究基础,对纳米材料的基础物理及化学特性深入研究,开发其在光电子器件、新能源等方面的应用。

Email: Yumeng.shi@szu.edu.cn

撰稿:原文作者编辑:《纳微快报》编辑部

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