高倍率锂/钠离子电池负极材料：层间距增大的SnS2/石墨烯/SnS2夹层材料

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

可充电锂/钠离子电池被认为是能量存储和转换应用中的重要技术，实现高性能的方法之一是在负极充电/放电期间实现快速的Li+/Na+嵌入/脱嵌。层状结构的SnS2材料由于其具有高比容量在电化学储能领域引起了广泛关注。然而，当其用作锂/钠离子电池的负极材料时，充/放电过程中易于堆叠的特性将导致电极结构不稳定和严重的容量衰减。

对于锂/钠离子电池负极材料，负极材料中Li+/Na+的迁移速率是实现电池高性能的限制因素。为了加快离子迁移速率，减少体相材料的颗粒尺寸，增加其与电解液之间的接触面积，可以促进负极的赝电容行为，从而提高其能量存储。此外，合理的调整层状负极材料的层间距可以提高电化学性能，尤其是倍率特性。由于过渡金属硫化物单层之间的范德华相互作用较弱，因此可以通过“自上而下”和“自下而上”的方法将异质组分（例如，离子、分子、量子点、石墨烯片等）嵌入到层间隙中来实现层间距扩张。其中，基于水热反应的“自下而上”组装过程是一种“捕获”异质分子来合成层间距扩张的金属硫化物纳米片的简便方法。

近日，上海大学赵兵教授、张久俊院士团队等人利用一步水热法合成SnS2/石墨烯/SnS2夹层复合材料。超薄SnS2纳米片通过C-S共价键固定在石墨烯两侧。由于石墨烯夹在两个SnS2片之间，复合材料中SnS2的层间距增大到约8.03Å，有利于Li+/Na+的嵌入/脱嵌，具有快速的传输动力学，并且可以抑制SnS2纳米片在充电/放电循环期间的堆叠。密度泛函理论计算揭示了夹层状复合材料在此层间距时具有最稳定的状态，分子模拟和实验结果显示该状态具有最快的Li+/Na+的扩散系数。此外，石墨烯片表面负载众多的超细SnS2纳米粒子可以显著提高复合材料的赝电容贡献。该复合负极在10 A/g电流密度下，可逆存储锂/钠离子的比容量高达844/765 mAh/g。在200次循环后复合物的形貌没有发生明显的变化，并且SnS2纳米颗粒仍然恢复到初始相而没有发生明显的团聚。

图1 (a) SnS2/石墨烯/SnS2材料的层间距-系统能量关系图; 左上角插图为XRD图谱, 右下角插图为夹层结构SnS2/石墨烯/SnS2的分子模型图; (b)层间距-Li+/Na+的扩散系数关系图. SnS2/石墨烯/SnS2复合材料的(c)TEM和(d)HRTEM, 插图是复合物中超小SnS2纳米颗粒的尺寸分布. (e) 不同CV扫描速率下赝电容贡献; (f,g) 锂/钠电池倍率性能; (h) 储锂充放电循环200圈后HRTEM照片, 插图是循环后SnS2纳米颗粒的尺寸分布。

这一成果近期发表在国际顶级期刊ACS Nano上。文章的第一作者是上海大学蒋永博士和硕士研究生宋戴云。

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：如上所述，我们的研究目的是开发高性能锂/钠离子电池负极材料。负极材料中Li+/Na+的迁移速率是实现电池高性能的限制因素。众所周知，层状结构的SnS2材料有高比容量，但是当其用作锂/钠离子电池的负极材料时，充/放电过程中易于堆叠的特性将导致电极结构不稳定和严重的容量衰减。我们的目标就是加快离子迁移速率，减少体相材料的颗粒尺寸，增加其与电解液之间的接触面积，合理的调整层状负极材料的层间距从而提高电化学性能，尤其是倍率特性。由于过渡金属硫化物单层之间的范德华相互作用较弱，因此可以通过“自上而下”“和''自下而上”的方法将异质组分（例如，离子、分子、量子点、石墨烯片等）嵌入到层间隙中来实现层间距扩张。其中，基于水热反应的“自下而上”组装过程是一种“捕获”异质分子来合成层间距扩张的金属硫化物纳米片的简便方法。超薄SnS2纳米片通过C-S共价键固定在石墨烯两侧。由于石墨烯夹在两个SnS2片之间，复合材料中SnS2的层间距增大到约8.03Å，有利于Li+/Na+的嵌入/脱嵌，具有快速的传输动力学，并且可以抑制SnS2纳米片在充电/放电循环期间的堆叠。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何调控SnS2的层间距，以获得增大且稳定的层间距。在这个过程中，我们团队在水热反应过程方面的经验积累起了至关重要的作用。此外，基于该插层复合结构的第一性原理计算，通过密度泛函理论计算复合材料的稳定状态，分子模拟其离子传输动力学对验证实验结果具有重要的支撑作用。

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：开发高克比容量、高倍率特性的负极材料是材料和电化学储能领域永恒的追求目标，该层间距增大的SnS2/石墨烯/SnS2夹层复合材料可逆容量高、倍率性能好、循环寿命长，用作锂/钠离子、甚至钾离子电池负极材料都有望展现出较大的应用前景。同时，其优异的离子传输特性，在光催化、传感器等领域也有望具有优异的性能。此外，我们开发的基于液相反应（水热或溶剂热）“自下而上”组装、“捕获”异质分子来合成层间距扩张的二硫化锡的简便方法，可拓展至其它金属硫化物、硒化物等二维层状复合材料。