蔡玉荣教授、类淑来副教授， JMCA观点：层状VS2/MoS2异质结提高反应动力学并延长循环寿命来获得优异的钠存储性能- 大数跨境

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蔡玉荣教授、类淑来副教授， JMCA观点：层状VS2/MoS2异质结提高反应动力学并延长循环寿命来获得优异的钠存储性能

科学材料站

2021-12-23

导读：该工作采用一步硫化合成独特的二维层状堆叠 VS2/MoS2 纳米片，并将其用作钠离子电池负极材料。

文章信息

层状VS2/MoS2异质结提高反应动力学并延长循环寿命来获得优异的钠存储性能

第一作者：樊润泽

通讯作者：蔡玉荣*，类淑来*

单位：浙江理工大学，湖北文理学院

研究背景

钠离子电池（SIBs）由于钠资源丰富、与锂离子电池（LIBs）电荷储存机制相似，因此SIBs被视为下一代储能系统的有力竞争者，但是钠离子大的半径和更重的摩尔质量导致电极材料的反应动力学缓慢和显著的体积变化，导致SIBs的倍率性能差和不可逆容量损失高。因此，开发适用于SIBs的电极材料势在必行。

异质结可形成自建电场、提高反应动力学、缓解体积变化、更高的可逆容量等优点，已成为钠离子电池负极材料的研究热点之一。然而，对于异质结的电化学反应机理、充放电过程中过电位副作用的降低、异质结构对电压失效的影响等方面，仍缺乏系统的研究。因此，对异质结进行合理的结构/成分设计和优化，以最大限度地提高电池的电化学性能十分重要。

文章简介

基于此，来自浙江理工大学的蔡玉荣教授与湖北文理学院的类淑来副教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Boosting reaction kinetics and improving long cycle life in lamellar VS2/MoS2 Heterojunctions for superior sodium storage performance”的研究工作。

该工作采用一步硫化合成独特的二维层状堆叠 VS₂/MoS₂ 纳米片，并将其用作钠离子电池负极材料。在本文中，MoS₂成功引入到VS₂中构建异质结，所设计的 VS₂/MoS₂ 异质复合材料作为钠离子电池负极材料具有多种结构/组成优势，包括改善 Na⁺ 反应动力学、增加Na⁺储存容量、降低钠化应力和稳定的固体电解质界面。本工作表明，合理调控结构/成分对于获得高性能钠离子电池异质结负极具有重要意义。

图1. VS₂/MoS₂的成分和形貌表征

要点一：VS₂/MoS₂储钠性能表征

作者表征了VS₂/MoS₂, VS2, MoS2, and VS2-MoS2 mixture的储钠性能。结果表明VS2/MoS2异质结在储钠容量以及倍率性能上表现出明显的优势。在 10 A g^-1 的超高倍率下比容量高达644.0 mAh g^-1及在 2 A g^-1电流密度下1000 次循环后仍有454.5 mAh g^-1 。

图2. VS2/MoS2电化学性能表征

要点二：VS2/MoS2反应动力学的实验分析

不同扫速下的CV测试结果表明，各电极均表现为电容控制与扩散控制结合的储钠过程。此外，作者比较了不同电极的动力学表现，VS2/MoS2具有最高的钠离子扩散系数。

图3. VS2/MoS2反应动力学表征

要点三：VS2/MoS2储钠机理解析

非原位XRD被用来进一步表征VS2/MoS2电极在首次嵌/脱钠过程中的结构变化。结果表明，在首次放电-充电过程中，异质结构中转化和合金反应的共存加速了反应动力学。

均匀分散在NaV附近的Mo0纳米颗粒可以有效缓解V纳米晶在巨大体积变化过程中的粗化，显着提高了低电位状态下多步反应的可逆性。

图4. VS2/MoS2储钠机理

要点四：VS2/MoS2反应动力学的理论分析

一般来说，当不同带隙的材料接触时，电子在异质界面处单向流动，从而产生电场，Na+很容易吸附在带负电的区域，形成所谓的“离子库”。

即使电场因电荷中和而消失，Na+在离子库中仍保持较高的离子浓度并产生浓度梯度，使电荷快速转移到两侧接触的材料上，从而改善了电极材料电化学反应动力学。

图5. VS2/MoS2反应动力学的理论分析

综上所述，由于晶格无序产生的异质界面和异质界面产生的自建电场，该材料表现出出色的 Na+ 存储、增强的 Na+ 反应动力学和良好的电极结构稳定性。

此外，合理设计的异质结构为防止异常的电压失效提供了有效的策略。本研究侧重于工程异质结构对反应动力学和可逆性的影响，以及在未来长循环寿命钠离子电池应用的潜力。

文章链接

Boosting reaction kinetics and improving long cycle life in lamellar VS2/MoS2 Heterojunctions for superior sodium storage performance

https://doi.org/ 10.1039/D1TA09612E

通讯作者简介

蔡玉荣教授

现任浙江理工大学材料科学与工程学院教授、硕士生导师，任材料科学与工程学院材料工程系副主任，生物基功能材料与纤维研究所副所长。入选2017年浙江省中青年学科带头人培养计划和首批浙江省青年科学家培养计划。主持/参与国家及省市级项目约20项，承担企业研发课题10余项。在国内外学术期刊上发表SCI收录论文约80篇，获授权国家发明专利二十余项。

主要研究领域：长期从事先进电池及其关键材料研发，包括钠离子电池、锂硫电池、锂离子电池等；废旧电池回收处理与资源化利用。