北理工《AM》：精巧设计，大幅提升钠离子电池性能！

编辑推荐：本文通过对材料的微观结构精心设计，巧妙地在二硫化钨纳米棒上复合硫化锌以形成硫空位和异质结结构，大幅提高了材料在钠离子电池（SIBs）中的离子扩散能力，从而在极大电流密度下也表现出较高的容量和循环稳定性。该研究为后续钠离子电池电极材料的研发提供了良好的设计思路。

SIBs因为更低的成本而被认为是最有希望替代锂离子电池的新型电池体系。但是SIBs电池中电极材料的离子扩散动力学更差，远不能满足人们的期望。如何提高电极材料的电化学性能，尤其是离子扩散动力学已经成为了SIBs发展不得不解决的难题。

近日，北京理工大学吴川教授团队等针对这一问题，提出了二硫化钨和硫化锌共筑含大量硫空位的异质结结构，强化了离子在电极中的扩散能力，使电极在高电流密度下依旧可以表现出极高的比容量和循环稳定性。对于后续SIBs电极的结构设计提供参考和借鉴。相关论文以题为“Co-Construction of Sulfur Vacancies and Heterojunctions in Tungsten Disulfde to Induce Fast Electronic /Ionic Diffusion Kinetics for Sodium-Ion Batteries”在Advanced Materials上发表。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005802

随着电动汽车的发展，对拥有快速充放电能力的二次储能体系的需求变得更为迫切。此外，由于锂资源的缺乏及分布不均，研发具有高倍率性能的新型二次储能体系变得更为迫切。SIBs成本低廉且具有和锂电池类似的原理。但是传统的石墨负极无法作为SIBs电池负极。因此，探索能够提供令人满意的倍率性能和快速离子扩散动力学具有重要的意义。目前为止，人们对SIBs负极已经进行了大量研究，包括硬炭、层状氧化物和聚阴离子化合物等材料。但是他们的钠离子吸附位点往往是随机的，离子通道是不规则的，这也导致其钠离子扩散能力较差。

本文作者针对上述问题，报道了一种制备具有特殊硫空位和异质结结构的炭复合双金属硫化物的特殊方法，为SIBs电池负极提供了极好的倍率性能和可逆容量。炭涂层不但可以提高导电性，还可以在抑制循环过程中的体积膨胀，提高材料的结构稳定性；WS_2−x /ZnS异质结结构可以增强离子扩散系数以提高电化学反应动力学；WS_2−x上提供的硫空位则可以在提供更多的反应活性位点的同时，吸引更多的电子到钨原子周围，以获得更好的倍率性能。因此，电极在1 A g^-1的电流密度下循环500次后比容量依旧高达329.1 mA h g⁻¹；在5 A g^-1的电流密度下循环5000次后比容量依旧高达170.8 mA h g⁻¹。此外，DFT计算也对WS_2−x /ZnS@C复合材料中的硫空位与异质界面与高倍率性能进行证明表征。

总的来说，作者对材料的微观结构精心设计，巧妙地利用异质结和硫空位共同作用，获得具有极佳的Na离子扩散能力的复合材料。该设计不仅为SIBs电池商业化应用提供了很好地指导，还可以被借鉴以设计新型电极材料。（文：Today）

图1 WS_2−x/ZnS@C纳米棒的合成示意图和样品的SEM图。

图2 样品的TEM、XRD、拉曼和XPS分析。

图3样品在1 A g^-1的电流密度下的循环测试和循环后的电镜照片。

图4 (a) 样品在5 A g^-1的电流密度下的循环测试; (b) 倍率性能测试；(c) 本工作与其他报道的对比示意图；(d) 电极在不同扫速下的CV图；(e) 在1mV s^-1的赝电容贡献比例计算结果；(f) 全电池示意图；(g)全电池充放电曲线；(h) 所组装的全电池在1 A g^-1的电流密度下的循环测试。

图5 DFT计算结果