Adv. Energy Mate: 类百香果状、碳限域Cu2ZnSnS4长循环型钠离子电池负极材料- 大数跨境

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Adv. Energy Mate: 类百香果状、碳限域Cu2ZnSnS4长循环型钠离子电池负极材料

科学材料站

2021-03-19

导读：该工作通过简单的水热及后续的碳包覆策略，实现类百香果状碳限域的Cu2ZnSnS4合成，用作钠离子电池负极材料，实现了高稳定、长寿命的钠电循环。

文章信息

类百香果状、碳限域Cu2ZnSnS4长循环型钠离子电池负极材料

第一作者：孙兵、张琴

通讯作者：张琴*、李轩科*、杨年俊*

单位：武汉科技大学、德国锡根大学

研究背景

钠离子电池由于其丰富的钠储量，比锂离子电池更具成本竞争力。但是钠离子的半径和重量大于锂离子，钠离子电池的实际比能和寿命低于锂离子电池。因此，大容量活性材料的开发和结构稳定的高能钠离子电池电极的设计将是钠离子电池在大型储能器件中应用的关键。

针对上述问题，本工作设计了一种基于多电子转移反应的嵌入-转化-合金型材料Cu2ZnSnS4，该材料具有高效稳定的电化学离子/电子传输路径，有效缓解了体积膨胀和收缩，实现了长时间、快速的钠储存。

文章简介

近日，来自武汉科技大学的李轩科教授、张琴副教授与德国锡根大学杨年俊教授，在Advanced Energy Materials上发表题为“A Passionfruit-Like Carbon-Confined Cu2ZnSnS4 Anode for Ultralong-life Sodium Storage”的研究工作。

本工作采用简单的水热及后续的碳包覆策略来实现类百香果状碳限域的Cu2ZnSnS4合成(CZTS@C公司)，作为钠离子电池负极材料，实现了高稳定性、长寿命的钠电池循环。由于精心构建的百香果状状结构，碳层显著提高了CZTS的导电性和结构稳定性，实现了充放电过程中电子的快速转移，保证了内部颗粒的电化学活性，缓解了活性物质的体积膨胀和活性物质损耗。

当与金属钠组装成半电池时，在50 mA g-1的电流密度下，循环容量可达461mA h g-1，具有优异的稳定性。这项工作加深了人们对多金属硫化物储钠机理的认识，为低成本CZTS作为商品化钠电负极材料的设计提供了思路。

图1：CZTS@C的制备流程图、X射线衍射、拉曼与氮气吸脱附曲线

本文要点

要点一：百香果状碳包覆结构构筑

通过简单的水热和包覆策略，构建了具有多核的百香果状结构。高分辨电子显微镜结构表明，粒径较小的CZTS颗粒被外层碳层包裹，元素分布均匀，显著提高了材料的导电性。

此外，这种独特的结构能有效地缓解CZTS在充放电过程中的体积变化，在高电流密度下具有优异的循环稳定性。

图2：形貌结构表征与元素分布图

要点二：CZTS多电子转移储钠

原位X射线衍射和非原位透射电镜结果表明，CZTS是一种基于多重电子转移反应的嵌入-转化-合金型材料，显著提升了材料的能量密度和储钠反应动力学。放电过程中形成的Cu能有效地提高放电产物的导电性。

另外，二次充电后得到多组分金属硫化物，形成大量异质结构，DFT计算进一步证明，在异质界面处，电子的重新分布加速了界面间的电子转移，可以显著提高倍率性能。

图3：原位X射线衍射及非原位透射电镜图

要点三：优异的电化学性能与反应动力学

独特的百香果状结构和CZTS多电子转移钠储存，使得所构筑的CZTS@C作为钠离子电池的负极时，具有优异的循环稳定性、倍率性能和快速的动力学反应。结果表明，在50 mA g-1电流密度下，经过140次循环后，循环容量可达到461 mA h g-1，具有比CZTS更优异的循环稳定性。在高电流密度下也表现出较好的倍率性能。

得益于异质结构和碳包覆层，CZTS@C具有较高的离子扩散系数和更小的阻抗，并表现出一定的赝电容储钠行为，全面提高了其动力学反应。这一结果证明了低成本CZTS作为商用钠离子电池负极材料的潜力。

图4：CZTS与CZTS@C的电化学性能图

图5：CZTS@C的赝电容储钠行为及离子扩散系数

文章链接

A Passionfruit-Like Carbon-Confined Cu2ZnSnS4 Anode for Ultralong-life Sodium Storage

https://doi.org/10.1002/aenm.202100082

通讯作者介绍

李轩科，武汉科技大学二级教授，博士生导师，湖北省楚天学者特聘教授。

现为武汉科技大学化学与化工学院院长，武汉科技大学先进炭材料工程中心以及中国宝武-武汉科技大学炭材料联合工程研究中心主任。

长期从事高品质炭纤维纺丝沥青的合成机制及制备；高导热沥青基炭纤维的制备技术和控制机制；高导热石墨材料及其高导热复合材料的制备技术与控制机理；过渡金属碳化物在炭材料表面的形成机制和纳米过渡碳化物的控制合成，电催化和电池用先进储能炭材料。

先后在AEM, AFM, EnSM, Carbon, J. Energy Chem.等知名期刊上发表研究论文200余篇，授权发明专利20余项，主持国防项目和国家基金联合基金重点项目各一项以及央企重大合作项目两项，主持完成国家自然基金重点项目一项和面上项目四项以及国防重点项目多项。

杨年俊，博士，德国锡根大学高级研究员.

主要致力于各种碳材料的化学气相合成及其在电化学等领域的基础与应用研究。近些年在Chem. Soc. Rev .、EES， AEM，AFM.、Appl. Catalysis B、Small等志上发表论文140多篇；出版系列丛书1部、专著4部、撰写书章节9次。

多次在国际大会做邀请报告、担任杂志Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon等多种杂志的客座主编、任Dia Relat. Mater等杂志的编委；是欧洲材料年会（E-MRS）分会主席、Hasselt金刚石研讨会及金刚石及碳材料国际会议的委员会成员；组织主持召开国际会议10多次。

张琴博士、副教授，楚天学子.

主要研究二维材料的可控制备与改性及其在储能与转换中的应用，碳基储能材料的结构设计与应用研究，近五年就新型层状材料的构建及其在储能中的应用已在Chem、AM、JACS、AEM、AFM、EnSM等国际权威期刊上发表SCI论文20余篇，参加国内外多次学术会议，主持国家自然科学基金项目1项，作为骨干成员参与国家项目2项。

课题组介绍

本课题组与联合工程研究中心的工作涉及化工新材料、能源化工、环境化工等多个领域，现有扫描电子显微镜（SEM）、偏光显微镜、物理吸附仪、电池测试系统、手套箱、光、电催化设备、气相色谱、超高温石墨化炉及成套纺丝设备等2000多万仪器，实验场地近1500平方米，科研经费雄厚。

截至目前，承担国家、省、市基金项目30余项，在国内外学术会议和学术期刊上发表论文300余篇，其中SCI收录论文150余篇，授权中国发明专利20余项。获湖北省自然科学二等奖1项。

课题组主页：http://www.carbon-wust.cn。

课题组招聘

欢迎感兴趣的硕士、博士加入，发送简历至zhangqin627@wust.edu.cn。