注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
与锂相比，钠在地球上储量丰富、分布广泛、成本低廉，钠离子电池有望成为下一代的电化学储能器件，是目前电化学能源研究的热点之一。但是，目前钠离子电池技术仍然无法与锂离子电池技术媲美，主要问题在于缺少能够实现Na+离子可逆脱嵌长循环寿命和高比容量的电极材料。发展具有优异电化学性能的钠离子电池是一种很大的挑战。
近日，苏州大学的李彦光教授在钠离子电池负极材料的研究中取得进展，相关论文发表在ACS Nano 上。作者通过高温溶液法合成Ni3S4纳米棒（Ni3S4 NRs），通过SEM可以看出，纳米棒形状、尺寸均匀，结晶性好。但是在溶剂缓慢挥发的过程中，纳米棒容易发生自组装，形成的超结构尽管形貌漂亮，对其电化学性能是极其不利的。因此，作者通过加入少量的石墨烯，有效地抑制了纳米棒的自组装。作者借助Raman、TEM以及STEM等表征发现，在复合材料中，Ni3S4纳米棒十分均匀地分散在二维石墨烯上，没有发生明显的团聚，最大程度地保留了其纳米尺寸的结构优势。
随后，作者测试了Ni3S4 NRs/rGO复合材料作为钠离子电池负极材料的电化学性能。无论是在0.05 A/g的比电流下，还是在1 A/g的比电流下，电池都能够维持较高的比容量和突出的循环稳定性。此外，Ni3S4 NRs/rGO也展现出优异的倍率性能，在4.0 A/g的比电流下容量达到310 mAh/g。复合材料的比容量、循环稳定性和倍率性能均远远好于单一的Ni3S4 NRs和商业化的NiSx纳米粉末。最后，作者也考察了其在全电池中的性能，正极选用比较常见的磷酸钒钠（NVP）。全电池在100 mA/g比电流下放电容量为530~580 mAh/g，循环寿命>100圈，相应的库仑效率接近100%。该研究工作为今后钠离子电池负极材料的开发与设计提供了一种新的思路。
(a) Ni3S4 NRs的SEM成像；(b) Ni3S4 NRs/rGO复合材料的TEM成像；(c, d) Ni3S4 NRs/rGO复合材料在0.05 A/g和1 A/g下的循环性能图。
该论文作者为：Jun Deng, Qiufang Gong, Hualin Ye, Kun Feng, Junhua Zhou, Chenyang Zha, Jinghua Wu, Junmei Chen, Jun Zhong and Yanguang Li
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Rational Synthesis and Assembly of Ni3S4 Nanorods for Enhanced Electrochemical Sodium-Ion Storage
ACS Nano, 2018, 12, 1829, DOI: 10.1021/acsnano.7b08625
李彦光教授简介
李彦光博士，苏州大学教授，2010年获得美国俄亥俄州立大学化学系化学博士学位，2010至2013年在美国斯坦福大学化学系从事博士后研究，2013年9月入职苏州大学功能纳米与软物质研究院；入选江苏省杰青、基金委优青、2017年中国和全球高被引学者，获中国化学会青年化学奖；主要研究方向是电催化和新型电池，近年来在Nat. Commun.、Proc. Natl. Acad. Sci. USA、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater. 等杂志以通讯作者身份发表论文和评论综述50余篇，引用共17000多次。
http://www.x-mol.com/university/faculty/18387
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：最初的目的是想通过合成出的Ni3S4纳米棒作为电化学储能材料，解决钠离子电池领域长期以来遇到的种种困难，如比容量低、循环稳定性差等问题。但单纯的Ni3S4纳米棒尺寸均一，环己烷挥发后很容易发生团聚，甚至自组装，完全丧失了纳米材料在储能领域应有的优势。所以，我们想到将石墨烯和纳米棒超声分散在环己烷中，在后续转移洗涤的过程中，纳米棒会选择性地吸附于石墨烯上而不发生自团聚。在TEM下可以看出，用这种方法制备的复合材料中，纳米棒很好地固定在石墨烯上，既保留了其纳米材料的优势，又增加了导电性。后续的电化学性能测试也表现了这种材料的巨大优势。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：研究过程中最大的挑战主要是Ni3S4纳米棒合成中各个参数的优化，包括反应的温度、时间以及前驱体的选择。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该研究通过合理地设计纳米电池材料，控制其成分、尺寸大小和聚集行为，大幅度提升了纳米电池材料在钠离子电池中的比容量、倍率特性和循环性能，有望为钠离子电池材料的发展和应用提供技术上借鉴。
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