郝霄鹏/雷勇教授，AEnM：阴离子调控策略提升Ni-Co氧硫的钠离子存储性能

文章信息

阴离子调控金属氧硫化物提升钠离子电容器性能

第一作者：王守志，赵华平

通讯作者：郝霄鹏1,3*，Yong Lei（雷勇）2*

单位：山东大学1，德国伊尔梅瑙工业大学2，齐鲁工业大学3

研究背景

过渡金属氧化物具有优异的理论比容量，低廉的价格和环境友好等优势，被认为是具有广阔应用前景的电化学储能材料。但过渡金属氧化物在储能过程中体积膨胀大，容易引起结构坍塌从而降低循环寿命，严重影响其应用。

由于钠离子较锂离子半径更大，过渡金属氧化物作为基于钠离子的电化学存储器件的负极在储能过程中面临尤为明显和严峻的体积膨胀问题。针对上述问题，发展一种有效的策略，构建具有优异的稳定结构和出色容量的过渡金属氧化物负极材料，是提升钠离子的电化学存储器件产业化的关键因素。

文章简介

基于此，来自山东大学/齐鲁工业大学郝霄鹏教授与德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Insight into Nickel-Cobalt Oxysulfide Nanowires as Advanced Anode for Sodium-Ion Capacitors”的文章。

本篇文章展示了一种解决过渡金属氧化物储能过程中体积膨胀难题的有效方法，使用硫取代过渡金属氧化物中的部分氧，制备具有类管状结构的Ni-Co氧硫化合物，有效缓解了材料在储能过程中的体积膨胀。并以此为负极构建钠离子电容器件，表现出了优异的循环稳定性能和出色的能量密度。此外，借助原位XRD和第一性原理计算等手段，详细探究了Ni-Co氧硫材料的钠离子存储机制和电化学性能提升的机理。本文为未来的研究提供了方向，有助于促进过渡金属氧化物材料在钠离子存储领域的研究及实际应用。

本文要点

要点一：硫的引入改变了过渡金属氧化物的形貌和表面电子结构

在硫取代氧制备过渡金属氧硫化物的过程中发生柯肯达尔效应，纳米管的中空结构含有大量的纳米颗粒， HRTEM，XPS和EPR表征证明材料中存在大量的氧空位缺陷。这种类核-壳的结构以及材料中大量的孔隙，可以有效缓解材料在储能过程中的体积膨胀，硫离子的引入会使材料的阳离子价态多样化，从而增加氧化还原反应的活性位点，有效提升材料的电化学容量。

图1. (a) NCOS材料的合成机理图，NCOS材料的形貌表征（b-d）及其表面结构表征（e-h）。

要点二：原位表征探索NCOS材料在储能过程中的反应机理

NCOS材料表现了优异的电化学储钠行为，在100 mA g−1的条件下容量高达1468.5 mAh g−1，并且表现出了优异的倍率性能和循环稳定性。原位XRD测试表明NCOS材料优异的电化学性能源于嵌入反应和转换反应的协同作用，并在此基础上提出了相应存储机制的反应式。此外，第一性原理揭示了硫引入后NCOS材料的结构稳定性更高，带隙降低，以及材料中氧空位的存在有效降低过渡态的能垒，进而提升材料电化学性能。

图2. NCOS材料的电化学性能表征（a-c），原位XRD表征（d）以及相应的储能机制（e）

要点三：构建NCOS//BCN钠离子电容器件及其电化学性能表征

以性能优异的NCOS为负极和B,N共掺的碳纳米管材料（BCN）为正极构建钠离子电容器器件，并表现出优异的循环稳定性，高倍率性能和快速的电化学反应动力学。测试结果表明，器件在10 A g−1的条件下经过10,000次循环，容量仍然维持在90.0%，并且器件的能量密度和功率密度分别为205.7 Wh kg-1和125 W kg−1。得益于优异的结构稳定性能和出色的空间结构，NCOS表现出一定的赝电容储钠行为。这一结果证明了NCOS材料出色的 钠离子存储能力，具有广阔的的应用前景。

图3. NCOS//BCN 钠离子电容器的电化学性能表征。

总之，该工作提供了一种有效的阴离子调控策略，通过材料表面电子结构的精确调控和中空核壳结构的构筑，有效缓解材料的体积膨胀，为过渡金属氧化物在电化学储能的应用提供了新的机会。

文章链接

Insight into Nickel-Cobalt Oxysulfide Nanowires as Advanced Anode for Sodium‐Ion Capacitors

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100408

通讯作者介绍

郝霄鹏 教授。

山东大学/齐鲁工业大学教授，2002年在山东大学获得材料学博士学位，同年留校任教，2006年破格晋升为教授，2007年入选教育部“新世纪优秀人才”。主要从事半导体单晶及新型能源材料方面的研究，作为项目负责人先后承担了国家863项目、国家自然科学基金、教育部重点项目、山东省自然科学重大基础研究等项目；另外，作为主要骨干参与了国家创新研究群体、国家973项目等研究工作。以通讯作者身份在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy 等学术刊物上发表研究论文130余篇，授权发明专利30余项。

雷勇 ，德国伊尔梅瑙工业大学教授。

1991年在中山大学物理系获学士学位；2001年于中国科学院固体物理研究所获得理学博士学位；2001-2003年在新加坡国立大学从事博士后研究。2003到2006年作为洪堡学者和博士后在德国卡尔斯鲁厄理工大学工作。2006年开始在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授。2011年起在德国伊尔梅瑙工业大学担任终身教授，并担任应用纳米物理研究团队（Fachgebiet Angewandte Nanophysik）负责人（Fachgebietsleiter）。

雷勇教授在多元和表面纳米结构化、钠离子和钾离子电池等领域取得了瞩目的研究成果。迄今共发表了超过220篇学术文章、以及多项专利和专著。以通讯作者在影响因子大于20的期刊上发表论文19篇，影响因子10-20的期刊上发表论文73篇，如Nat. Nanotech., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Adv. Energy Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Today等。雷勇教授主持了多项欧洲和德国的大型研究项目，包括2项欧洲研究委员会的ERC研究项目、德国联邦教育及研究部（BMBF）重大研究项目、德国研究基金会（DFG）和德国大众基金会。他目前担任学术期刊Advanced Energy Materials的Editorial Advisory Board Member；Energy& Environmental Materials的Associate Editor；Carbon Energy和InfoMat的Editorial Board Member。

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