江苏师范大学《自然·通讯》：碳纳米纤维/石墨烯垂直穿插结构助力超稳定钠离子电池！

来源：高分子科学前沿

近日，Nature Communications在线刊载了以江苏师范大学为第一署名单位化学与材料科学学院刘明凯博士的最新科研成果。该课题组与东华大学刘天西教授课题组、澳大利亚张山青教授课题组合作，在Nature Communications发表了题为“Conductive Carbon Nanofiber Interpenetrated Graphene Architecturefor Ultra-stable Sodium Ion Battery”的研究论文，论文第一作者为我校化学与材料科学学院教师刘明凯副教授；本文的通讯作者为赖超教授（江苏师范大学），刘天西教授（东华大学）和张山青教授（Griffith University）。Nature Communications是目前国际“综合性期刊”领域的顶级杂志，近五年平均影响因子高达13.7。

图1. 楼层-支柱概念的微观结构

相较于锂元素，钠的“自然丰度”和“易获取性”都要胜出许多，使得钠离子电池（Sodium ions,SIBs）有望成为下一代储能系统中最有前途的替代者。然而，钠离子的半径大于锂离子，阻碍了电化学界面反应动力学，钠离子嵌入/脱出效率低，导致传统的锂离子电池材料不适用于钠离子电池。目前，钠离子电池较差的倍率性能已被认为是一个巨大的挑战。

在过去十年中，人们致力于开发有前景的二维结构材料，如磷、碳质材料、金属合金和二维碳化物等，以改善钠离子电池的电化学性能，尤其是促进其倍率性能的提升。其中，二维二硫化钼（MoS2），作为一种由范德华力叠加在一起的具有S-Mo-S基序的层状过渡金属材料，被认为是SIBs最有前景的材料之一。然而，由于导电率低和充放电过程中体积变化大，基于MoS2的电极在循环过程中呈现出较差的速率能力和快速的容量衰减。

为了同步提高钠离子在二硫化钼材料中的储存量和快速嵌入/脱出性能，刘明凯和赖超课题组通过高分子聚丙烯腈（PAN）协助碳纤维在石墨烯层间的垂直穿插，构筑了类似于楼层-支柱概念的微观结构（如图1所示），（1）不仅为二硫化钼材料的大量、高效负载提供了合理的空间位置；（2）碳纤维/石墨烯的穿插结构也为电子的穿梭提供了良好的传输通道；（3）弹性多孔结构为电解液离子的快速浸润提供了可靠路径，有效缩短了钠离子与活性材料界面之间的传输距离；（4）由于其均匀沉积，MoS2纳米的所有活性位点片材可以完全暴露在电解质和钠离子下，从而为MoS2@CNFIG混合电池产生高能量密度。此外，本研究中的MoS2@CNFIG混合电极表现出良好的速率性能和长期的循环稳定性。可以为开发具有稳定内部结构的新型能量相关电极提供新的视角。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11925-z.pdf