北航《Nano Letters》: 异质结结构对钠离子电池负极的巨大提升作用

11 09月 2020

2020-09-11 18:05

异质结结构的构建一直被认为是提高钠离子电池负极动力学性能最有效的策略之一。但是异质结结构具体的反应过程和协同效应机制还不够清楚，无法为异质结结构的构建提供足够的理论依据。

近日，北京航空航天大学的张千帆教授及其团队针对这一问题，通过第一性原理对其中异质结的作用进行了分析和表征，证明反应中生成的Na2S/Na2Se的界面对电极电化学性能提高具有关键作用。并根据计算结果制备了SnS/SnSe2炭复合结构，获得了优异的储钠性能。。相关论文以题为“ Building Fast Diffusion Channel by Constructing Metal Sulfide/Metal Selenide Heterostructures for High-Performance Sodium Ion Batteries Anode ”在Nano Letters上发表。

近年来，由于具有储量丰富，成本低廉等优势，钠离子电池逐渐引起了原来越多的关注。但是钠离子电池电极的表现，尤其是负极还远不能与锂离子电池相媲美，严重的制约了其应用潜力。近期的研究表明，通过构建炭复合异质结结构可以很好的改善电极材料的导电性和反应动力学。但目前的研究主要注重在前期构建快速离子扩散通道，对于循环过程中分解产物的作用并未得到充分研究。

本文中，作者针对上述问题，通过第一性原理计算，对循环过程中所产生的Na2O/ Na2S/Na2Se的界面的势垒进行了分析，并发现Na2S/Na2Se异质结结构在三种界面中具有最低的扩散势垒。说明构建Na2S/Na2Se异质结结构可以极大的提升电极的反应动力学和电化学性能。随后作者依据以上结论，制备炭复合SnS/SnSe2复合材料作为研究对象。该材料具有3D炭复合骨架，SnS和SnSe2纳米颗粒均匀的分布在炭骨架中。电化学测试显示：电极的库伦效率可达到99%以上；同时比容量在0.2 A g-1的电流密度下为529 mA h g-1，在10 A g-1的电流密度下为267 mA h g-1。远高于炭复合单相SnS的对比样，有利的证明了Na2S/Na2Se异质结结构对于电极的电化学性能的提升作用。

总的来说，作者通过第一性原理，对钠离子电池循环过程中的三种界面进行了详细的分析研究，并发现Na2S/Na2Se异质结结构具有最低的扩散势垒，是构建炭复合异质结结构的首选。而随后通过制备3D炭复合SnS/SnSe2电极，进一步从实践上证实了Na2S/Na2Se界面对于电极储钠性能的巨大提升作用。该结论对于未来设计异质结结构提供了理论依据和新的思路。