南开大学焦丽芳教授EnSM：双金属硫化物复合材料

钠离子混合电容器（SIHCs）可以同时具有电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度。大规模储能要求SIHCs具有较长的循环寿命和较高的功率密度，这对电极材料尤其是负极材料来说仍然是一个关键挑战。离子半径较大的钠离子在充放电过程中表现出较差的动力学特性，导致大倍率性能不理想。近日，南开大学焦丽芳教授课题组设计并制备了锑-锡双金属硫化物/石墨烯复合材料（ATS/GNS）应用于高效钠离子储存。研究成果以“Rapid kinetics of Na-ion storage in bimetallic sulfide composite”为题发表在Energy Storage Materials上

 

ATS以超小纳米颗粒的形式与石墨烯结合。锑（Sb）的引入可以减小带隙，进一步提高电导率。采用密度泛函理论（DFT）模拟了Sb掺杂后的能带结构、Na+扩散能量和Na2S的吸附能，从理论上揭示了Sb掺杂提高电池性能的内因。结果表明，ATS对Na+具有高的吸附能(-3.13 eV)和低的扩散能垒(0.26 eV)。

图1. DFT模拟

 

得益于较好的电导率和稳定的结构，该复合材料电极在1 A/g电流密度下稳定工作3000圈，容量可保持为507 mAh/g。

图2. ATS/GNS复合材料储钠性能

 

本工作同时设计并制备了氮硫掺杂多孔碳（NS-PC）正极以匹配ATS/GNS构造全电池。通过一步简单掺杂，正极多孔碳材料的比容量从83 mAh/g（PC）提升到118 mAh/g（NS-PC）。同时NS-PC经过500圈稳定循环，容量没有明显衰减。

图3. NS-PC正极性能

 

基于正负极的优异性能，进一步组装ATS/GNS//NS-PC钠离子混合电容器。实验结果表明，在电流密度为5 A/g时，混合离子电容器循环10000圈后，容量保持率为70%（CE~100%），并且其能量密度最高可达115 Wh/kg，功率密度最高可达18750 W/kg。由此可见，这样的能量密度远远大于传统超级电容器，高功率输出与普通钠离子电池相比具有显著优势。因此，本研究为钠基器件的高能/功率密度设计提供了一种可行的途径。

图4. ATS/GNS//NS-PC全电池性能

 

Zhiqin Sun, et al. Rapid kinetics of Na-ion storage in bimetallic sulfide composite, Energy Storage Mater. 2021, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.041。