北航：異質結結構對鈉離子電池負極的巨大提升作用

導讀：本文通過構建金屬硫化物/硒化物異質結結構，大幅提高了電極在鈉離子電池中的電化學性能。通過第一性原理計算，對於電化學反應過程中的界面上的協同效應進行了分析證明。該研究為後續鈉離子負極材料異質結結構的研究設計提供了借鑑和指導。

異質結結構的構建一直被認為是提高鈉離子電池負極動力學性能最有效的策略之一。但是異質結結構具體的反應過程和協同效應機制還不夠清楚，無法為異質結結構的構建提供足夠的理論依據。

近日，北京航空航天大學的張千帆教授及其團隊針對這一問題，通過第一性原理對其中異質結的作用進行了分析和表徵，證明反應中生成的Na2S/Na2Se的界面對電極電化學性能提高具有關鍵作用。並根據計算結果製備了SnS/SnSe2炭複合結構，獲得了優異的儲鈉性能。。相關論文以題為「Building Fast Diffusion Channel by Constructing Metal Sulfide/Metal Selenide Heterostructures for High-Performance Sodium Ion Batteries Anode」在Nano Letters上發表。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02595

近年來，由於具有儲量豐富，成本低廉等優勢，鈉離子電池逐漸引起了原來越多的關注。但是鈉離子電池電極的表現，尤其是負極還遠不能與鋰離子電池相媲美，嚴重的制約了其應用潛力。近期的研究表明，通過構建炭複合異質結結構可以很好的改善電極材料的導電性和反應動力學。但目前的研究主要注重在前期構建快速離子擴散通道，對於循環過程中分解產物的作用並未得到充分研究。

本文中，作者針對上述問題，通過第一性原理計算，對循環過程中所產生的Na2O/Na2S/Na2Se的界面的勢壘進行了分析，並發現Na2S/Na2Se異質結結構在三種界面中具有最低的擴散勢壘。說明構建Na2S/Na2Se異質結結構可以極大的提升電極的反應動力學和電化學性能。隨後作者依據以上結論，製備炭複合SnS/SnSe2複合材料作為研究對象。該材料具有3D炭複合骨架，SnS和SnSe2納米顆粒均勻的分布在炭骨架中。電化學測試顯示：電極的庫倫效率可達到99%以上；同時比容量在0.2 A g-1的電流密度下為529 mA h g-1，在10 A g-1的電流密度下為267 mA h g-1。遠高於炭複合單相SnS的對比樣，有利的證明了Na2S/Na2Se異質結結構對於電極的電化學性能的提升作用。

總的來說，作者通過第一性原理，對鈉離子電池循環過程中的三種界面進行了詳細的分析研究，並發現Na2S/Na2Se異質結結構具有最低的擴散勢壘，是構建炭複合異質結結構的首選。而隨後通過製備3D炭複合SnS/SnSe2電極，進一步從實踐上證實了Na2S/Na2Se界面對於電極儲鈉性能的巨大提升作用。該結論對於未來設計異質結結構提供了理論依據和新的思路。（文：Today）

圖1 (a) 界面設計示意圖；(b) Na2O、Na2S、Na2Se單相的原子結構模型；(c) 鈉原子在單相中的擴散勢壘；(d) Na2O/Na2Se、Na2O/Na2S、Na2S/Na2Se界面的原子結構模型。

圖2 (a) 三個界面的界面結合能；(b) Na2S/Na2Se界面結構的電荷密度差和對應的二維截面圖；(c) Na2S/Na2Se界面處所選原子的分布態密度；(d) 鈉原子在三種界面結構中的擴散能壘；(e)-(f) SnS-SnSe2@3DC的XRD和XPS Sn3d圖譜。

圖3樣品SnS-SnSe2@3DC的電鏡照片。

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