齐鲁工业大学何妍妍/周国伟CEJ：三维花状分级结构的双金属硫化物SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料用于高性能钠离子电池- 大数跨境

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齐鲁工业大学何妍妍/周国伟CEJ：三维花状分级结构的双金属硫化物SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料用于高性能钠离子电池

科学材料站

2021-08-19

导读：该研究论文通过简单的溶剂热法设计合成了一种三维花状分级结构的SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料，得益于该复合材料高理论比容量、优异的导电性和三维纳米分级花状结构等优势，复合材料表现出优异的储钠

文章信息

花状分级结构的双金属硫化物SnS2/NiS2@S-rGO复合材料用于高倍率和循环性能的钠离子半/全电池

第一作者：李欢

通讯作者：何妍妍*，周国伟*

单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）

DOI: 10.1016/j.cej.2021.131784

研究背景

近年来，锂离子电池主导了电子设备和电动汽车的市场，但由于其资源储量匮乏、成本高等因素，制约了其在发展和应用。相比之下，钠与锂相似的理化性质及丰富的资源优势，使钠离子电池成为锂离子电池的最佳替代品。

近年来，金属硫化物因其丰富的氧化还原反应活性位点和较高的理论比容量，其作钠离子电池负极引起了广泛研究，特别是SnS2负极材料，其具有较高的理论比容量（1136 mAh g-1）和低成本等优势，但其在电化学储钠过程中存在体积膨胀、结构坍塌等问题，导致其循环稳定性差。利用双金属硫化物间的协同作用及碳材料包覆，是提升SnS2负极材料储钠性能的有效途径。

本论文中，我们制备了硫掺杂的石墨烯包覆的SnS2/NiS2复合材料，其中NiS2提高了复合材料的电子电导率，并为SnS2材料体积膨胀提供了一定的缓冲空间，杂原子（S）掺杂的石墨烯不仅提高了材料的导电率、增大了比表面积、增强了电解液与负极材料的渗透。相较于单金属硫化物，双金属硫化物间的协同效应使复合材料展现出更优异的钠离子储存性能。

文章简介

本文中，来自齐鲁工业大学周国伟教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bimetallic SnS2/NiS2@S-rGO nanocomposite with hierarchical flower-like architecture for superior high rate and ultra-stable half/full sodium batteries”的研究论文。

该研究论文通过简单的溶剂热法设计合成了一种三维花状分级结构的SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料，得益于该复合材料高理论比容量、优异的导电性和三维纳米分级花状结构等优势，复合材料表现出优异的储钠性能。

本文要点

要点一：分级花状结构的双金属硫化物SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料的制备

通过两步溶剂热法构建了硫原子掺杂石墨烯包覆的SnS2/NiS2复合材料，该复合材料呈现出纳米分级花状结构及三维石墨烯包覆（图1），增大了比表面积，有利于电解液与材料的接触与渗透，杂原子（S）掺杂的石墨烯的复合增大了电导率。

此外，双金属硫化物间的协同效应和三维石墨烯的包覆，缓解了SnS2储钠过程中的体积膨胀和结构坍塌，使得复合材料展现出优异的电化学性能。

图1 SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料的SEM，TEM，HRTEM和元素Mapping图。

要点二： SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料优异的钠离子电池性能探究

该论文探究了复合材料在不同电解液中的电化学性能，当使用1 mol L-1 NaPF6溶解于二乙二醇二甲醚电解液时，SnS2/NiS2@S-rGO展现出超长的循环寿命和较高的倍率性能。

在1 A g-1和2 A g-1的电流密度下，循环4000和5000次后仍保持380.9 和340.7 mAh g-1的可逆放电比容量；在5 A g-1的下循环2200次后保持305 mAh g-1的放电比容量；同时，其优异的倍率性能表现为电流密度10 A g-1时，仍能得到330.4 mAh g-1的放电比容量。

图2 SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料CV，充放电曲线，倍率性能和循环性能图。

要点三：SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料电化学动力学分析

在不同的CV扫描速率下，对SnS2/NiS2和SnS2/NiS2@S-rGO复合材料的赝电容贡献进行了分析，结果表明复合材料优异的电化学性能在一定程度上取决于较大的赝电容贡献，较大的扩散系数提高了电化学反应速率。电化学动力学分析为获得较长循环寿命、较高的倍率性能的电极材料提供了借鉴意义。

图3 SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料动力学分析（CV，赝电容贡献率等）图。

要点四：SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料储钠机制的探究

通过非原位XRD、Raman、HRTEM等表征手段，对复合材料在充放电过程中物相演变进行了探究，与CV曲线分析结果一致，电化学储钠过程中，基于合金和转换机制的SnS2材料提供了较大的比容量，基于转换机制的NiS2提供了丰富的氧化还原活性位点。

图4 SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料储钠机制分析（非原位XRD，Raman，HRTEM）图。

要点五：SnS2/NiS2@S-rGO//Na3V2(PO4)3@rGO钠离子全电池组装

基于SnS2/NiS2@S-rGO纳米复合材料在钠离子半电池中的优异性能，将其与Na3V2(PO4)3@rGO(正极)匹配，组装成钠离子全电池。全电池可以轻松地点亮LED灯，全电池的组装及其功率密度、能量密度计算结果证明了证实了该复合材料的应用价值。

图5 钠离子全电池工作示意图及性能图。

文章链接

Bimetallic SnS2/NiS2@S-rGO nanocomposite with hierarchical flower-like architecture for superior high rate and ultra-stable half/full sodium batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721033659

通讯作者介绍

何妍妍，理学博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）讲师。

主要从事能源存储材料的设计合成及储能机理研究。主持山东省自然科学基金与齐鲁工业大学人才引进科研启动基金各1项，在国际知名期刊Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Nano Res. 等发表SCI论文20余篇，申请中国发明专利4件。

周国伟，教授，博士生导师。

国务院政府特殊津贴专家、山东省优秀科技工作者、山东省优秀研究生指导教师等，主持国家自然科学基金、济南市高校院所创新团队资助项目等，在国际知名期刊Chem. Eng. J.，Nano Res., J. Mater. Chem. 等发表SCI论文100余篇，获授权发明专利40余件。

课题组介绍

团队主要研究领域包括介孔材料可控制备及修饰、能源存储与转换材料、酶催化、光催化、生物传感材料、理论计算等。近5年承担国家自然科学基金10余项，省部级项目20余项。