上海交大黄富强团队:新型超快充钠离子电池负极材料设计

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近日,上海交通大学张江高等研究院未来材料创制中心黄富强教授(材料科学与工程学院)与复旦大学、中国科学院上海硅酸盐研究所合作,在钠离子电池超快充负极新材料领域取得新进展,相关研究成果以“1D Insertion Chains Induced Small-Polaron Collapse in MoS2 2D Layers Toward Fast-Charging Sodium-Ion Batteries”为题在线发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.202309637)。

研究者发现,通过在二维MoS2层间引入一维富电子[MoS]链,可破坏z方向对称性诱导晶体结构中发生小极化子坍塌,进而获得高于MoS2的107倍本征电子导电率。另外,一维[MoS]插入链诱导阴离子电子离域,可显著降低钠离子在晶体结构中的扩散能垒。基于该策略获得的Mo2S3材料在钠离子电池中具有极优的快充性能(60 C=1分钟充满)与超长循环稳定性(1.5万圈)。

钠离子电池因钠资源储量丰富与安全性高等优势,被视为锂离子电池的有效补充。目前,钠离子电池能量密度与快充特性的提升对其应用发展意义重大。二硫化钼(2H相MoS2)作为经典负极材料具有高理论容量,但由于极化子引发的缓慢电荷转移,其倍率性能及氧化还原可逆性通常较差。传统改性策略通常基于纳米尺寸/孔隙调控、碳复合结构设计等,虽电化学性能有所改善但其低体积能量密度与复杂工艺限制实际应用。相转变工程可构建导电1T相MoS2,但亚稳特性使其在循环过程中重新堆叠向稳态2H相转变,导致电化学性能下降。因此,如何通过对MoS2本征晶体结构进行合理设计,开发兼具高倍率与长循环寿命的新型热力学稳定硫化钼基负极材料具有挑战性。

基于此,上海交通大学黄富强教授提出了一种由富电子一维[MoS]插入链诱导的极化子坍塌策略,可有效地解决以上问题。具体而言,在二维MoS2层间引入一种富电子一维[MoS]链,可通过破坏二维MoS2层z方向对称性将其转变为稳定对称破缺态,诱导小极化子坍塌从而获得极快速的本征电荷转移能力。基于该策略获得的Mo2S3材料热力学稳定且表现金属行为,其电子电导率为MoS2的107倍。复旦大学吕希蒙博士理论计算发现,一维[MoS]插入链引入可诱导阴离子电子离域,极大降低钠离子扩散能垒(Mo2S3:0.38 eV;MoS2:0.65 eV),提高钠离子在晶体结构中扩散速率。

研究者将Mo2S3材料应用于快充钠离子电池领域,该材料在0.5 C下表现出510 mAh g−1的高容量,在超高倍率60 C下可保持202 mAh g−1的容量。此外,Mo2S3还表现出极优的循环稳定性,在高倍率40 C下,可稳定循环超15,000次。电化学原位实验表明Mo2S3在钠嵌脱过程中具有高度可逆的氧化还原,可抑制硫副反应引起的容量衰减。该研究工作证明了极化子工程对电极材料本征电子/离子传导的显著提升,为设计和开发新型高性能快充电极材料提供了新的思路。

图1. 由2D MoS2与1D [MoS]基元设计的Mo2S3晶体结构、DFT计算及微观形

图2. Mo2S3的结构表征与电学性质。

图3. Mo2S3的电化学储钠机理原位及非原位表征。

图4. Mo2S3的电化学储钠性能。

责编: 爱集微
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