张千帆副教授/秦戬副教授Nano Letters: 利用金属硫化物/金属硒化物异质结构构建高性能钠离子电池负极快速扩散通道- 大数跨境

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张千帆副教授/秦戬副教授Nano Letters: 利用金属硫化物/金属硒化物异质结构构建高性能钠离子电池负极快速扩散通道

科学材料站

2020-07-31

导读：作者系统地研究了放电产物（Na2O、Na2S、Na2Se）不同类型异质结界面对倍率性能的影响。第一性原理计算表明Na2S/Na2Se界面由于其最小的界面变形、相似的电负性和晶格常数，具有最低的Na扩散

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Publication Date: July 27, 2020

通讯作者：张千帆*，秦戬*

单位：北京航空航天大学，西安理工大学

背景简介

随着经济持续发展的需要，对可持续清洁能源的需求越来越大。在多种可再生能源技术中，电池储能技术在当今社会显示出极大的便利性。

近年来，钠离子电池（SIBs）因其储量丰富、成本低廉、电化学性能与锂离子电池相似等优点，越来越受到人们的关注。然而，要实现SIBs的商业化应用，还存在许多挑战。其中最关键的一点就是缺乏合适的负极材料。

以过渡金属氧化物/硫化物/硒化物为主要成分的转化型负极材料由于其较高的理论比容量，在SIBs中显示出巨大的潜力。受益于复合技术的发展，用碳材料构建异质结构，大大改善了本征过渡氧化物/硫化物/硒化物导电率低、膨胀性大的问题。

然而，钠离子固有的大半径仍然是设计高倍率性能电池的主要挑战。以往的研究表明，通过耦合不同带隙的纳米晶来制备异质结构，由于异质界面的内部电场，可以增强表面反应动力学并促进电荷输运。然而，这些工作主要集中在本征电极初始阶段的高扩散通道的建立。金属氧化物/硫化物/硒化物在循环过程中会转化为Na2O/Na2S/Na2Se。而后期嵌钠过程对倍率性能影响的研究并没有得到足够的重视。

文章介绍

近日，北京航空航天大学张千帆副教授、西安理工大学秦戬副教授在国际顶级期刊Nano Letters (影响因子：11.238) 上发表题为“Building Fast Diffusion Channel by Constructing Metal Sulfide/Metal Selenide Heterostructures for High Performance Sodium Ion Batteries Anode”的研究工作。

作者系统地研究了放电产物（Na2O、Na2S、Na2Se）不同类型异质结界面对倍率性能的影响。第一性原理计算表明，在Na2O/Na2S、Na2O/Na2Se、Na2S/Na2Se三种界面结构中，Na2S/Na2Se界面由于其最小的界面变形、相似的电负性和晶格常数，具有最低的Na扩散能垒（0.39 eV）。

实验证明，金属硫化物/金属硒化物（SnS/SnSe2）分级负极具有优异的倍率性能（10 A g-1与0.1 A g-1相比归一化容量为45.6%）。本文所提出的设计方法有助于设计先进电池系统的高倍率负极。

该文章第一作者为北京航空航天大学博士生王天帅，张千帆副教授和秦戬副教授为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：原子层面结构

图1.

a）界面工程图解。

b） Na2O、Na2S和Na2Se的体相原子构型。

c）钠原子在体相中的扩散能垒。

d）研究了Na2O/Na2Se、Na2O/Na2S和Na2S/Na2Se界面的优化结构。

要点二：界面结合能与原子分布

图2.

a）三种界面结构的界面结合能。

b）电荷密度差和相关的Na2S / Na2Se界面结构的二维截面图。

c）在Na2S / Na2Se界面的接触区域中所选原子（Na，S，Se）的状态的部分密度。

d）Na原子在三种界面结构中的扩散能垒。

e）SnS @ 3DC和SnS-SnSe2 @ 3DC复合材料的XRD图案。SnS-SnSe2 @ 3DC复合材料中f）Sn 3d的XPS光谱。

要点三：形貌表征与元素分布

图3.

a-d）SnS-SnSe2 @ 3DC复合材料的SEM图像，e，f）TEM图像

g）STEM元素映射。

要点四：电化学性能

图4.

a-b）CV曲线

c）SnS @ 3DC和SnS-SnSe2 @ 3DC电极的循环性能

d）倍率性能

e）通过正极扫描计算的b值

f）在SnS-SnSe2 @ 3DC电极的不同扫描速率下的电容控制贡献

g）在SnS @ 3DC和SnS-SnSe2 @ 3DC电极的各种电压下的EIS曲线

h）-Zim与ω-1/ 2之间的关系

i）SnS-SnSe2 @ 3DC电极在各种电压下的关系。

结论

综上所述，通过第一性原理计算和实验验证，作者证明了Na2S/Na2Se异质结构在Na2S/Na2O、Na2O/Na2Se、Na2S/Na2Se材料中具有Na+的快速扩散通道。电子分析表明，Na2S/Na2Se异质界面的良好扩散行为是由于界面变形小、电负性（S和Se）相似以及晶格常数相似所致。

基于此模拟结果，作者设计了合理的SnS / SnSe2 @ 3DC异质结作为SIB的负极，以验证理论结果。

结果表明，SnS/SnSe2@3DC电极具有很高的库伦效率（高达99%）和优异的倍率性能（电流密度为0.2 A g-1时为529 mAh g-1，5A g-1时为328 mAh g-1，10 A g-1时为267 mAh g-1）。该工作揭示了Na+在异质结电极中的扩散行为，为探索高性能的SIBs负极提供了新的思路。

文章链接:

Building Fast Diffusion Channel by Constructing Metal Sulfide/Metal Selenide Heterostructures for High Performance Sodium Ion Batteries Anode

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02595

导师简介:

张千帆副教授

2005年毕业于南京大学物理系，获学士学位；2010年毕业于中国科学院物理研究所，获博士学位；2010-2012年在美国斯坦福大学材料科学与工程学院从事博士后研究；2013年入选北京航空航天大学“卓越百人计划”，任副教授。主要研究领域为基于密度泛函理论的第一性原理材料计算模拟，研究方向包括锂电池电极材料体系、钠电池电极材料体系、新型二维材料、拓扑绝缘体、全量子化计算等。以第一/通讯作者在Nature Commun.、Phys. Rev. Lett.、PNAS、Nano Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano等期刊发表论文50余篇。

研究方向：主要研究基于密度泛函理论的第一性原理材料计算模拟。研究领域包括先进能源材料、新型二维材料、拓扑绝缘体、全量子化计算等。

引用：http://www.mse.buaa.edu.cn/info/1052/2389.htm

秦戬副教授

学习与工作情况：

2012.07年毕业于南京工业大学材料学院，获得学士学位；2012-2018年在天津大学材料学院获得硕士、博士学位，同年进入西安理工大学材料学院从事科研工作，任副教授。近年来以第一作者或通讯作者在能源领域国际期刊Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, J. Mater. Chem. A, Nanoscale等发表SCI论文10余篇，其中8篇论文影响因子大于10，2篇论文进入ESI TOP 1%。

研究方向：

纳米能源材料与器件（钠/钾离子电池，混合离子超级电容器，水系锌离子电池，空气电池等电极材料）。

获得荣誉：

陕西省高校科协青年托举人才

引用：http://clxy.xaut.edu.cn/info/1120/1953.htm