南昌大学雷水金教授课题组JPS：分级花状MnPS3中空球实现高性能钠离子电池

过渡金属磷硫化合物（MPS₃）因其独特的层状范德华结构、丰富的组分以及高理论比容量等优势，被认为是有前途的钠离子电池负极材料。然而，因其固有的低电导率和易碎化特性，导致其充放电速率和循环性能较差，从而限制了其在实际应用中的发展。材料的微观结构对其储能性能有着至关重要的影响。大量研究表明，合适的中空结构和三维阵列结构能够显著增强材料的储能能力，优化电化学性能，提高充放电速率和循环稳定性。然而，关于MPS₃这类材料的微观结构设计的研究报道仍然非常有限。目前，针对如何通过微观结构调控来提高MPS₃的储能性能，系统性的研究和具体的设计策略仍显不足。这表明，在这一领域仍有巨大的研究潜力和应用前景，有待进一步探索和开发。

近日，来自南昌大学的雷水金教授，在国际权威期刊Journal of Power Sources上发表题为“Hierarchical flower-like MnPS₃ hollow spheres for high-rate and long-cycle sodium storage”的研究论文。本文通过温和的化学气相沉积（CVD）技术，对锰甘油实心小球进行原位磷硫化处理，基于Kirkendall效应，成功构筑了独特的MnPS₃中空球阵列结构（MnPS₃ HS）。这种材料凭借其大的中空腔体和三维垂直阵列结构，展现出更大的比表面积、更短的离子迁移距离以及更快的电荷传输速率。因此，所制备的MnPS₃ HS钠离子电池负极材料表现出了优异的倍率性能和循环能力。

甘油小球在高温条件下具有较好的稳定性和耐热性，能够承受高温热解过程而不易破裂或变形，从而保证最终中空结构的稳定性和一致性。因此，本工作选用锰甘油小球作为前驱体，并以P/S混合物作为气体源，通过温和的CVD技术，成功制备了MnPS₃中空球。在磷硫化过程中，P/S混合物以气相形式流动，与锰甘油小球接触。同时，锰甘油小球中的Mn²⁺阳离子向外扩散，与带负电的PxSy混合物形成化学键，在球体表面生成了MnPS₃纳米片阵列。由于Mn²⁺离子的向外扩散以及C/H/O等元素在煅烧过程中以气体形式升华，在球体中心留下了较大的中空腔体，因而成功制备了具有三维阵列结构和中空结构的MnPS₃ HS。

相比于MnPS₃纳米片（MnPS₃ NS）材料，所制备的MnPS₃ HS负极表现出更优异的储钠性能。在0.1 A g^-1和5 A g^-1的电流密度下分别表现出521 mAh g-1和328 mAh g-1的高比容量；在2 A g^-1的电流密度下循环1000圈后，其容量保持率高达94.7%。得益于其独特的中空结构，均匀分布的碳颗粒和三维纳米片阵列，相较于MnPS₃ NS电极，MnPS₃ HS负极表现出更小的电荷转移电阻和更高的Na⁺扩散系数。此外，MnPS₃ HS负极的储钠动力学主要由电容行为主导。

本研究以MnPS₃HS作为负极材料，利用非原位XRD技术深入分析了其储钠机理。研究结果表明，在首次放电过程中，MnPS₃ HS中的P-S键发生了不可逆的断裂。这一现象导致了初次放电不可逆容量损失。然而，在随后的充放电循环中，P和S元素能够共同参与与Na⁺离子的可逆电化学反应，从而显著提升了材料的可逆比容量。具体而言，P和S在充放电过程中通过与Na⁺反应形成了不同的反应产物（如Na₂S和Na₃P），提供了超高的可逆比容量。这种协同效应不仅提高了材料的储钠性能，还展现了MnPS₃HS在电化学反应中的独特优势。该研究结果揭示了MnPS₃负极材料在储钠过程中的电化学行为，为优化和设计高性能钠离子电池提供了重要的科学依据和参考。

雷水金教授简介：南昌大学教授，博士生导师，入选江西省“井冈学者”特聘教授、江西省青年科学家、南昌大学“赣江特聘教授”。2006年毕业于中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室。2013-2014年，作为中组部“西部之光”访问学者于中国科学技术大学从事研究工作。2015-2016年，于香港理工大学从事博士后研究工作。2006年入职南昌大学，主要研究兴趣聚焦于功能纳米材料与器件的制备及其性能研究。主持了国家自然科学基金、国家863项目子课题、教育部博士点基金、江西省青年科学家项目、江西省科技支撑计划重点项目、江西省自然科学基金重点项目、江西省自然科学基金项目等课题10余项。相关研究成果已在Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、ACS Mater. Lett.、Chem. Mater.、J. Energy Chem.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Mater. Chem. A、Carbon等国外知名SCI刊物上发表学术论文130余篇，授权国家发明专利5项。

钟隆盛，男，南昌大学2022级博士研究生，研究方向为过渡金属磷硫化合物的改性及其电化学性能研究。