赵天寿教授组最新进展: 一种极具潜力的钠离子电池负极材料-类磷烯结构硫/硒化硅

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文为大赛第4篇参赛作品，由SCI期刊Science Bulletin编辑部投稿。

【引言】

随着世界清洁能源的快速发展，对储能技术，尤其是大规模储能的需求日益迫切，电池储能是其中一个重要的发展方向。当前以对锂离子电池的研究和应用最为广泛，但由于锂元素的储量相对有限，制约其成为大规模储能的理想选择。钠离子电池因使用价格低廉且来源广泛的钠元素，被视作锂离子电池最具发展潜力的替代品。但长期以来，因钠离子电池负极材料严重缺失，阻碍了该电池的发展。

【成果简介】

为了寻找高性能钠离子电池负极材料，香港科技大学赵天寿教授课题组历经数年研究，近来在该领域取得突破。研究发现类磷烯结构硫化硅和硒化硅有望成为下一代钠离子电池负极材料。磷烯是一种新型合成的具有独特褶皱表面的二维材料，实现其在钠离子电池中应用的关键在于如何克服该材料在氧与水存在时所表现出的高度不稳定性。赵教授课题组提出使用“原子嬗变”方法来设计类磷烯结构，有效利用了磷烯独特的原子结构，同时克服了其不稳定性，首次成功尝试采用类磷烯结构硫化硅和硒化硅作为钠离子电池的负极材料。

计算结果表明：类磷烯结构硫化硅和硒化硅可达到的最大钠/硫化硅与钠/硒化硅之比为1，对应的硫化硅负极和硒化硅负极的理论比容量为445.6和250.4 mAh/g。同时，在整个嵌钠过程中，硫化硅和硒化硅的体积膨胀非常小，保证了电极在不断充放电过程中的结构稳定性。更为重要的是，钠在硫化硅和硒化硅上表现出远高于在传统负极材料中的扩散速率，对应的钠扩散能垒仅为0.135和0.158 eV，有利于实现钠离子电池优良的倍率性能。

【图文导读】

图1. 类磷烯结构硫/硒化硅结构示意图

(a), (b)分别为类磷烯结构硫化硅和硒化硅俯视图和侧视图；

(c)为类磷烯结构硫化硅和硒化硅高对称吸附位点

图2. 类磷烯结构硫/硒化硅嵌钠过程吸附能及晶格常数变化规律

(a), (b)分别为类磷烯结构硫化硅和硒化硅嵌钠过程吸附能随钠浓度的变化；

(c), (d)分别为类磷烯结构硫化硅和硒化硅晶格常数随钠浓度的变化

图3. 钠离子在类磷烯结构硫/硒化硅的扩散能垒

(a), (b)分别为钠离子在类磷烯结构硫化硅和硒化硅上沿不同扩散路径的能量曲线；

(c), (d), (e)为钠离子在类磷烯结构硫化硅和硒化硅上的扩散路径

图4. 类磷烯结构硫/硒化硅导电性

(a), (b)分别为类磷烯结构硫化硅和硒化硅在嵌钠前后的电子态密度图

【小结】

这一研究预测了一种极具潜力的高性能钠离子电池负极材料，开辟了钠离子电池负极材料设计新思路，促进了高能量密度、高功率密度以及高倍率性能钠离子电池的发展。

该项目由中国香港特别行政区研究资助局提供支持 (16213414)。