顆粒在線訊：目前，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中，然而鋰資源的日益短缺和高成本等問題，限制了其在大規(guī)模儲能中的應(yīng)用。鈉離子電池因鈉儲量豐富和安全性高等特點，可以作為鋰離子電池的有效補充，尤其在大規(guī)模儲能方面極具應(yīng)用前景。

此外，鈉離子較鋰離子具有更小的斯托克斯半徑，使得其在電解液中具有更優(yōu)的擴散動力學(xué)；然而，鈉離子半徑(1.02??)大于鋰離子半徑(0.76 ?)，導(dǎo)致其反應(yīng)動力學(xué)相對較差，并在(脫)鈉化過程中，電極材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生更嚴重的應(yīng)力，導(dǎo)致很難在實現(xiàn)高容量的同時、兼具長循環(huán)壽命和快速充放電特性。因此，開發(fā)高性能的鈉離子電池電極材料迫在眉睫。

工作簡介

基于此，新加坡科技設(shè)計大學(xué)楊會穎課題組研發(fā)出一類兼具高容量、長循環(huán)壽命和快速充放電特性的鈉離子電池新型負極材料--立方尖晶石相XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)。其中，F(xiàn)eIn2S4具有最優(yōu)的電化學(xué)性能，尤其展現(xiàn)了優(yōu)異的快充能力 (在100 A g-1的電流密度下，9-13s即可完成一次充電，充電容量為200-300 mAh g-1) 和超穩(wěn)定的循環(huán)性能 (在100 A g-1的電流密度下，可穩(wěn)定循環(huán)25000周，每周循環(huán)容量損耗僅為~0.00081 %)。

隨后，作者采用動力學(xué)分析、DFT理論計算、原位XRD和非原位TEM揭示了其具有優(yōu)異電化學(xué)性能的原因。最后該團隊還制備了以Na3V2(PO4)3為正極材料、FeIn2S4為負極材料鈉離子軟包全電池。

該文章以題為“Cubic Spinel XIn2S4 (X= Fe, Co, Mn): A New Type of Anode Materials for Superfast and Ultrastable Na‐Ion Storage”發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上，新加坡科技設(shè)計大學(xué)博士后研究員閆冬和碩士研究生李可為本文共同第一作者，楊會穎副教授為通訊作者，新加坡科技設(shè)計大學(xué)為通訊單位。

圖文簡介

圖一，作者以立方尖晶石相In2.77S4為研究對象，基于同構(gòu)替代的思路，利用自模板法將其四面體位的In原子替換為不同的金屬雜原子（Fe，Co，Mn），制備了一類具有立方尖晶石相的雙金屬硫化物XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)，將其用作新型的鈉離子電池負極材料。

圖二，相比于In2.77S4，XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)具有更優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能。其中，F(xiàn)eIn2S4具有最優(yōu)的電化學(xué)性能，且其綜合性能優(yōu)于目前已報道的大部分鈉離子電池負極材料。

圖三，作者利用DFT理論計算證實了立方尖晶石相In2.77S4四面體位的X替代策略可以顯著地提高其導(dǎo)電性、增強鈉離子反應(yīng)結(jié)合能、降低鈉離子擴散勢壘，其中Fe替代對材料的優(yōu)化效果最佳。此外，F(xiàn)e替代可以有效地減少電極材料在脫嵌鈉離子過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而顯著地提高其電化學(xué)性能。

圖四，立方尖晶石相XIn2S4 (X=Fe, Co, Mn)在不同的反應(yīng)速率下，皆具有很強的贗電容行為。此外，作者利用原位和非原位的EIS證實其在不同的充放電狀態(tài)和長循環(huán)過程中具有超低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和超穩(wěn)定的動力學(xué)行為。

圖五，作者通過原位XRD和非原位TEM揭示了XIn2S4 (X=Fe, Co, Mn)具有功能互補的“插入-轉(zhuǎn)換-插入”階梯式儲鈉機制。在反應(yīng)過程中，立方尖晶石相八面體位的In框架所主導(dǎo)的鈉離子脫嵌反應(yīng)可以有效地緩解轉(zhuǎn)換反應(yīng)所帶來的巨大體積變化，從而與四面體位的X替代策略形成協(xié)同優(yōu)化，賦予XIn2S4優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖六，作者以Na3V2(PO4)3為正極材料、FeIn2S4為負極材料制備了高性能的全電池，并制備了相應(yīng)的鈉離子軟包全電池，進一步證實了該材料的應(yīng)用前景。

核心結(jié)論

作者通過“結(jié)構(gòu)-工作機制”的協(xié)同調(diào)控實現(xiàn)了具有優(yōu)異儲鈉性能的新型雙金屬硫化物的研發(fā)；證實了通過激發(fā)雙金屬硫化物中不同組分之間的協(xié)同效應(yīng)，來強化堿金屬離子電池負極材料儲能的可行性；為其他新型雙/多金屬化合物負極材料的研發(fā)帶來啟示。