北航周苇教授团队最新AM：Ni/Co元素变价催化实现-20~50℃宽温域、高倍率钠硫电池

第一作者：高宇轩、柳荣辉

通讯作者：周苇*

单位：北京航空航天大学

在全球气候多样化的背景下，开发能够在宽温度范围内运行的电池对于满足不同地区（如赤道、极地以及航空航天环境）的能源存储需求至关重要。近年来，金属–硫电池因其高理论容量和低成本的优势备受关注。然而，宽温域钠硫电池的发展面临诸多挑战，如活性物质体积膨胀、多硫化钠的穿梭效应以及缓慢的16电子转换反应动力学等。开发高性能正极催化剂，对于解决这些挑战、推动宽温域钠硫电池的发展具有重要意义。

近日，北京航空航天大学周苇团队设计了一种具有蜂窝状结构的NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x，并揭示了其Ni/Co元素变价催化机制，成功解决了上述挑战。实验结果表明，钠硫电池在室温下展现出卓越的高倍率性能和循环稳定性，在−20~50℃的宽温度范围内亦能保持出色的性能（−20 ℃、1 A g⁻¹下循环600圈后容量为969.1 mAh g⁻¹；50℃、5 A g⁻¹下循环600圈后容量为1150.0 mAh g⁻¹）。

TEM显示材料具有蜂窝状结构，该结构由超薄NiCo-LDH褶皱组成。这种结构既有利于硫的负载，又能暴露更多活性位点以催化多硫化钠的转化。XPS数据显示，与NiCo-LDH相比，NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x的Ni²⁺ 2p3/2的结合能向高结合能方向轻微偏移，而Co³⁺与Co²⁺的比值从0.89增加至1.41，证明了电子从NiCo-LDH向MXene的转移。

S/NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x的初始容量为1540.5 mAh g⁻¹，初始硫利用率为92.0%，远高于对比样品。在0.1、0.2、0.5、1、2和5 A g⁻¹下，S/NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x的容量分别为1369.6、1275.6、1206.7、1171.0、1120.2和1014.5 mAh g⁻¹。当电流密度恢复至0.1 A g⁻¹时，可逆容量可回升至1232.1 mAh g⁻¹。相比之下，S/NiCo-LDH在5 A g⁻¹的电流密度下容量衰减迅速，这可能是由于其导电性较差所致。在5 A g⁻¹的大电流密度下，S/NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x表现出稳定的长循环性能：经过1200次循环后，容量仍可达1130.7 mAh g⁻¹，每个循环容量衰减率仅为0.0045%。

DFT结果显示，NiCo-LDH和MXene对多硫化物均表现出较强的吸附能力。值得注意的是，MXene倾向于吸附Na₂S₆和Na₂S₄分子，而NiCo-LDH则倾向于吸附Na₂S₂和Na₂S分子。显然，两种组分对不同多硫化物的吸附具有一定的选择性，而复合材料对所有多硫化物的吸附效果更佳，这是两者协同作用的结果。XPS数据证明多硫化物和NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x的化学吸附源于Ni/Co–S键和O–Na键的共同作用，这种双重的化学吸附作用不仅能有效抑制多硫化物的穿梭效应，还能加快反应速率。

DFT计算结果表明，在决速步中，NiCo-LDH对应的能垒（0.53 eV）远低于MXene（0.96 eV），这表明NiCo-LDH催化活性更高。基于变温EIS计算出的活化能、对称电池、LSV等数据结果均证明，在三个样品中NiCo-LDH@Ti₃C₂O_x具有最优异的催化活性。

Valence-Adaptable Ni/Co Catalysis for High-Rate Sodium–Sulfur Batteries with Wide-Temperature Operation from −20 to 50 °C

周苇教授简介：北京航空航天大学教授，博士生导师，先后入选教育部“新世纪优秀人才”、国家“优秀青年科学基金”、“北京市科技新星”。2006与2010年分别在北京航空航天大学材料科学与工程学院和化学学院获硕士、博士学位，2011与2012年先后获得北京市优秀博士学位论文奖以及全国优秀博士学位论文奖，其后于美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）化工与生物分子工程系进行访问研究。主要研究方向：基于铁系纳米功能材料的电化学特性而开展的能源转化与存储研究（包括钠硫电池和电解水催化剂的研究）。