上海交大/上硅所黄富强课题组设计新型超快充钠离子电池负极材料 | 用户成果速递

2024-05-24 18:47:00, HORIBA HORIBA（中国）

"相转变工程可构建导电的 1T 相 MoS₂，但本征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。"黄富强教授团队表示。最近，黄富强教授团队在《Advanced Materials》上发表他们的最新研究成果。

研究背景

钠离子电池由于钠资源储量与安全性高等优势，被视为锂离子电池的有效补充。目前，提高钠离子电池能量密度与快充特性对其产业化发展意义重大。

二硫化钼（2H 相 MoS₂）是一种经典负极材料，具有高理论比容量（670 mAh g⁻¹），但由于极化子引发的缓慢电荷转移，其倍率性能与氧化还原可逆性通常较差。传统材料改性策略包含纳米化、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制造工艺限制实际应用。

研究成果

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] 链的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），实现钠离子在晶体结构中快速扩散。将 Mo₂S₃应用于快充钠离子电池领域，该材料表现出极优快充性能（60 C=1分钟充满）与超长循环稳定性（1.5 万圈）。

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。

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仪器贡献

该工作使用 HORIBA LabRAM HR Evolution Nano 纳米拉曼光谱仪，可探测纳米级应变分布，使用便捷，其处理空间分布数据的功能非常强大。（该仪器已全面升级为 HORIBA LabRAM Odyssey 高速高分辨显微共焦拉曼光谱仪）

黄富强课题组的

HORIBA LabRAM HR Evolution Nano 纳米拉曼光谱仪

黄富强课题组使用电化学拉曼原位表征，结合电化学原位 XRD、XANES 等系列原位/非原位实验表明，在充放电过程中发生插层加转化反应，反应方程式如下所示，并且在反应前后具有高度可逆性，同时形貌也得到保持。

Mo₂S₃+ xNa++ xe⁻→ Na_xMo₂S₃

Na_xMo₂S₃+(6−x)Na⁺+ (6 − x) e⁻→ 2Mo + 3Na₂S

拉曼光谱的原位表征

未来科学

黄富强团队的工作证明极化子坍塌策略可显著提升储能电极材料本征结构中的电子/离子传导，为设计和开发新型高性能快充电极材料提供新的思路。

作者简介

黄富强

上海交通大学讲席教授、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员

国家杰出青年科学基金获得者，担任中国化学会理事、中国化学会能源化学专业委员会主任。长期从事无机固体化学与能源材料与器件研究，在多功能复杂化合物设计理论、新材料制备与能源器件研发方面取得系统性原创成果。以第一/通讯作者在Science、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Phys.、Nat. Catal.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等期刊发表 SCI 论文 600 余篇，H 因子 90，他引超 35000 次，多次入选全球高被引科学家榜单；获授权发明专利 120 余项（国外 15 项）。主持科技委重点项目、国家重点研发计划、科技部 973 和 863 项目、基金委重大研究计划以及产业化等项目 40 余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖 1 项（2017年）、上海市自然科学一等奖 2 项（2016、2019年）。

引用文章

Zhuoran Lv, Chendong Zhao, Miao Xie, Mingzhi Cai, Baixin Peng, Dayong Ren, Yuqiang Fang, Wujie Dong, Wei Zhao, Tianquan Lin, Ximeng Lv*, Gengfeng Zheng, Fuqiang Huang*. 1D Insertion Chains Induced Small-Polaron Collapse in MoS₂ 2D Layers Toward Fast-Charging Sodium-Ion Batteries. Advanced Materials, 2023, 2309637.

联系作者

黄富强：huangfq@mail.sic.ac.cn

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撰稿人 | 蔡天逊（中科院上海硅酸盐研究所）

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