官国清教授/阿布里提教授课题组CEJ文章：钒调控二硫化钼结构实现钠离子电池负极材料的高性能化- 大数跨境

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官国清教授/阿布里提教授课题组CEJ文章：钒调控二硫化钼结构实现钠离子电池负极材料的高性能化

科学材料站

2020-12-21

导读：本工作通过钒调控二硫化钼结构使该材料具备金属导电性从而导电性显著提高，并且通过DFT计算验证了钒调控后，钠离子传输能垒从0.12 eV降低到0.069 eV, 可以有效的促进钠离子在层间的迁移速率，从

文章信息

具备金属导电性的钒调控二硫化钼：实现钠离子快速传输从而改善电化学反应动力学特性

第一作者：岳喜岩

通讯作者：官国清*・阿布里提*

单位：日本国立弘前大学

研究背景

近年来，钠离子电池在大规模储能领域中被认为是锂离子电池的替代品，尤其其具有和锂离子电池相似的电化学性能以及丰富的资源。但是，由于钠离子的半径比锂离子半径大，适用于锂离子电池的负极无法适用于钠离子电池。

在众多负极材料中，层状二硫化钼因为具有大的层间距和良好的结构稳定性以及层间脆弱的范德华力而吸引了广大研究者的关注。但是，该材料仍然存在一些问题，例如：导电性差，电化学动力学特性不良，放电过程中电极材料的体积膨胀，导致了循环稳定性差和倍率性能差等问题，严重制约了二硫化钼作为钠离子电池负极材料的发展。

近年，研究人员采取了各种有效的策略，例如：运用纳米结构的设计，与碳材料的复合，异质结构的设计等来提高二硫化钼的导电性及电化学稳定性。尽管上述方法可以有效的增加材料的导电性以及循环稳定性，但是其制备工艺或过程却过于复杂。因此，有必要寻找更简单的合成方法及策略来制备二维层状硫化物，在节约制备成本的同时解决上述问题。

二硫化钒，作为另一种层状硫化物，即使不和碳材料复合其本身就具备良好的导电性，尤其锂离子在二硫化钒层间的迁移能垒要低于在二硫化钼层间的迁移能垒。

文章简介

图1. 图文摘要。

近日，来自日本国立弘前大学的官国清教授/阿布里提教授课题组联合国内太原理工大学郝晓刚教授课题组和浙江理工蒋仲庆教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A novel vanadium-mediated MoS2 with metallic behavior for sodium ion batteries: achieving fast Na+ diffusion to enhance electrochemical kinetics”的文章。

本工作通过钒调控二硫化钼结构使该材料具备金属导电性从而导电性显著提高，并且通过DFT计算验证了钒调控后，钠离子传输能垒从0.12 eV降低到0.069 eV, 可以有效的促进钠离子在层间的迁移速率，从而改善其电化学反应动力学特性。

本文要点

要点一：简单的钒调控二硫化钼的制备方法

图2. (a) 材料合成示意图，(b, e ) VM-33, (c, f) VM-43和 (d,g) VM-53的SEM像。

钒调控二硫化钼通过简单的一步水热法制备。随着钒含量的增加，逐渐形成了花状结构颗粒，且颗粒尺寸也随之变大。

要点二：独特的结构

图3. （a）XRD分析结果，(b-d) Mo, V以及S的高分辨XPS图谱。

通过XRD测试只观察到二硫化钼的特征峰，却没有观察到二硫化钒的特征峰，且发现层间距离在二硫化钼和二硫化钒之间。结合XPS分析，发现钒取代了二硫化钼中部分钼原子从而形成新的VMoS2相，推测这是性能提高的关键。

要点三：优异的电化学性能

图4. （a）恒电流充放电图，(b-d) 不同电流密度下的稳定性，(e)倍率性能; (f)和其他基于二硫化钼负极的对比图。

该材料作为钠离子电池负极材料时，具备优异的电化学性能，如高比容量，好的稳定性及优异的倍率性能。

要点四：优异的电化学动力学特性

图5. (a-d) CV及赝电容占比分析， (e, f) 阻抗图谱。

图6. （a, b）DTF模型及对应的 (c) 态密度；(d, e) 钠离子扩散路径及对应 (f) 能垒。

通过CV，EIS及DFT计算，证明了钒调控后具备了该材料的金属导电性明显提高，且降低了钠离子扩散能垒，这些都能有效的提高其电化学反应动力学特性。

文章链接

A novel vanadium-mediated MoS2 with metallic behavior for sodium ion batteries: achieving fast Na+ diffusion to enhance electrochemical kinetics

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720342236

通讯作者介绍

官国清，日本国立弘前大学全职教授。

1995年获四川大学博士学位，1998年晋升四川大学副教授；1999年到日本九州大学做博士研究员并于2004年1月获该大学材料化学博士学位。先后任日本产业技术综合研究所（AIST）研究员、德国美因茨微反应器研究所（IMM）化学工艺工程部研究员（洪堡学者）、日本福冈女子大学生活环境科学部JSPS特别研究员、日本东京大学生产技术研究所特任助理教授等。现主要研究方向为新能源技术，能源材料与化学，环境催化与环境材料，分离及过程设计等，已发表SCI论文300多篇，多篇入选高被引论文。同时参与专著编写10部，申请美国、日本专利40余项，多次获得日本化工学会等奖励。现兼任四川大学，太原理工大学，沈阳化工大学和中南林业科技大学客座教授，Fuel Processing Technology编辑和Carbon Resources Conversion的副主编. 课题组网站：http://www.iri.hirosaki-u.ac.jp

阿布里提，日本国立弘前大学理工学部教授、新能源学科长。

1997年获日本东京大学博士学位，先后任日本产业技术综合研究所（AIST）博士后研究员、日本青森县工业技术综合合研究所总工程师，新能源研究部部长，弘前大学副教授等。现主要致力于新能源领域的研究和教学工作。已在国际学术刊物上发表论文300多篇，在国际、国内重大学术会议上发表论文300余次, 并出版研究成果报告书数十册，申请专利40多项。先后受聘大连理工大学海天学者、中国科技大学客座教授、中科院大连化物所客座研究员等。

课题组网站：http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~abuliti/

课题组介绍

本课题组长期从事新能源技术，环境技术和过程设计等方面的研究，尤其在生物质高效利用（热解，气化和焦油提质），生物炼制，二次电池，燃料电池，超级电容器，水分解，VOC低温燃烧，锂资源回收等方面开展了广泛研究。现有博士后2名，博士生19名和硕士生1名。

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