赵乃勤教授ESM：用于持久可逆钠离子电池的界面掺杂

一、【导读】

界面掺杂工程被认为是改善钠离子电池（SIBs）中二维异质结构反应动力学的一种很有前途的策略。原始异质结构在放电过程中反应动力学的增强机制一直受到人们的关注，而在充电过程中放电产物反应动力学的优化却很少受到关注。因此，迫切需要对二维异质结构的界面掺杂工程进行系统的理解和设计指导，以实现良好的双向反应动力学。

 二、【成果掠影】

在理论计算的指导下，天津大学赵乃勤教授团队设计了界面掺杂工程，由Co掺杂的MoS₂(Co-MoS₂)和N掺杂的石墨烯（NG）组成的新型界面在放电过程中具有优异的导电性和Na⁺吸附能力。此外，所揭示的Na₂S-Mo（Co）/NG界面极大地有利于Na₂S在充电过程中的分散、吸附和分解以及整体电导率。电化学表征技术系统地证明了锚定在三维氮掺杂碳（Co-MoS₂/3DNC）复合材料上的钴掺杂MoS₂中Co-MoS₂/NG界面良好的双向反应动力学。因此，Co-MoS₂/NG界面能够实现有效的可逆转化反应。Co-MoS₂/3DNC在1 A g^-1的电流密度下表现出良好的倍率性能和1500次循环的良好长期循环稳定性。本研究为设计高可逆和耐用的转化型复合阳极的界面掺杂工程提供了新的见解。研究成果以题为“Engineering the interfacial doping of 2D heterostructures with good bidirectional reaction kinetics for durably reversible sodium-ion batteries”发表在知名期刊Energy Storage Materials上。

三、【核心创新点】

（1）基于理论计算和界面掺杂工程制备了Co-MoS₂(1:8)/3DNC复合材料，其表现出良好的Na⁺扩散动力学、导电性、持久的结构稳定性和高度可逆的转化反应性能。

（2）Co-MoS₂(1:8)/3DNC具有优异的倍率性能，倍率测试后容量保持率高达97.0%，其在1 A g^-1下进行1500次循环后，表现出优异的长循环寿命稳定性，达到292 mAh g^-1。

四、【数据概览】

图1  界面掺杂工程的理论计算 © 2023 Elsevier

（a）MoS₂/G界面掺杂工程图示。

（b）Na⁺在不同界面上的吸附能。

（c）不同界面的态密度（DOS）。

（d）Na₂S在G、NG、Mo/G、Mo/NG、Co/G和Co/NG上的吸附能。

（e）吸附在G、NG、Mo/G、Mo/NG、Co/G、Co/NG基底上的Na₂S分子的Na-S键长和键角。

（f）Na₂S在G、Mo/G、NG和Mo/NG基底上的分解势垒和扩散路径。

图2  MoS₂/3DC基复合材料的制备与表征 © 2023 Elsevier

（a-e）Co-MoS₂(1:8)/3DNC的SEM图像、HRTEM图像、STEM图像及相应的mapping、AC-TEM图像。

（f）在（e）中选定区域的强度剖面。

（g-h）Co-MoS₂(1:8)/3DNC、MoS₂/3DNC和MoS₂/3DC的XRD图案及拉曼光谱。

（i）Co-MoS₂(1:8)/3DNC的Co 2p的XPS光谱。

（j）Co-MoS₂(1:8)/3DNC和MoS₂/3DNC的N 1s的XPS光谱。

（k）Co-MoS₂(1:8)/3DNC、MoS₂/3DNC和MoS₂/3DC的Mo 3d和S 2p的XPS光谱以及电荷密度差分图。

图3  电化学性能 © 2023 Elsevier

（a）MoS₂/3DNC的CV曲线。

（b）Co-MoS₂(1:8)/3DNC在不同电流密度的GDC曲线。

（c-d）从0.1到5 A g^-1的倍率性能和三个电池在1 A g^-1下的长循环寿命性能。

（e）本工作与其他报道的基于MoS₂的工作的长循环寿命性能的对比。

图4  电化学表征 © 2023 Elsevier

（a-c）Co-MoS₂(1:8)/3DNC、MoS₂/3DNC和MoS₂/3DC电极在放电和充电过程中的GITT测试和相应的Na⁺扩散系数。

（d-e）Co-MoS₂(1:8)/3DNC电极在不同工作状态下的典型Nyquist图和R_ct的拟合参数。

（f-h）Co-MoS₂(1:8)/3DNC电极在10次放电后的TEM图像、HRTEM图像、STEM图像和相应的元素mapping图像。

（i-k）Co-MoS₂(1:8)/3DNC电极在10次循环后的Mo 3d、S 2p和N 1s的XPS光谱。

图5  不同工程界面的转化反应图示 © 2023 Elsevier

MoS₂/G、MoS₂/NG和Co-MoS₂/NG三种工程界面的转化反应示意图。

 五、【成果启示】

与传统界面相比，设计的Co-MoS₂(1:8)/NG界面在放电过程中具有更好的Na⁺吸附能力和导电性。放电Mo（Co）纳米团簇倾向于优先锚定在NG基底上，有利于Na₂S的吸附。因此，转化后的Na₂S-Mo（Co）/NG界面有利于Na₂S的分散、吸附和分解以及充电过程中的整体电导率。基于计算结果，作者成功地制备了Co-MoS₂(1:8)/3DNC复合材料，其表现出良好的Na⁺扩散动力学、导电性、持久的结构稳定性和高度可逆的转化反应性能。进一步结果显示，Co-MoS₂(1:8) /3DNC具有优异的倍率性能，倍率测试后容量保持率高达97.0%。此外，Co-MoS₂(1:8)/3DNC在1 A g^-1下进行1500次循环后，表现出优异的长循环寿命稳定性，达到292 mAh g^-1。本研究表明，界面掺杂工程在改善放电和充电过程的反应动力学以及转化反应的可逆性方面显示出巨大的前景，这为设计和制备高性能的碱金属离子电池转化型阳极材料提供了指导。

原文详情：Engineering the interfacial doping of 2D heterostructures with good bidirectional reaction kinetics for durably reversible sodium-ion batteries (Energy Storage Materials 2023, 60, 102830)

本文由赛恩斯供稿。