东北大学伊廷锋教授和孙挺团队《J. Energy Chem.》:高性能的负极材料 - 钠离子电池钴基金属硫化物的构建与设计

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目前，东北大学伊廷锋教授团队全面介绍了关于钴基金属硫化物在钠离子电池中的应用。这篇综述首先对钴基金属硫化物的结构和电化学反应机理进行了最新总结。然后对钴基金属硫化物的不同改性方法进行了深度讨论。最后，对钴基金属硫化物未来的研究方向和进一步发展进行了展望，以加速其在电池储能领域的广泛应用。该综述可以为构建和优化高性能钴基金属硫化物在钠离子电池中的应用提供重要的理解。相关成果以标题为“Towards high-performance anodes: Design and construction of cobalt-based sulfide materials for sodium-ion batteries”发表在Journal of Energy Chemistry。东北大学理学院博士研究生关葆乐为论文第一作者。通讯作者：孙挺教授、刘延国教授、伊廷锋教授。
金属钠因其与金属锂属于同一主族的碱金属而具有相似的性质，并且具有地球储量丰富，价格低廉等优点，因此近年来钠离子电池被看做是锂离子电池很好的替代者而备受广泛关注。然而由于钠离子半径较大使得许多可应用于锂离子电池的负极材料不适用于钠离子电池，并且由于钠较大的离子半径导致电极材料在脱/嵌钠过程中容易发生结构坍塌，从而导致循环性能较差。钴基金属硫化物因其具有优良的导电性、丰富的氧化还原反应位点、快速的转化反应机制，被广泛应用于钠离子电池负极材料的研究中。
目前，对钴基金属硫化物类材料的综述主要集中在锂电、超级电容器和电催化等方面，但是针对其在钠离子电池应用方面的综述文章仍然较少。本文首先对不同种类的钴基金属硫化物的储钠反应机理进行了全面的总结，随后对有效的改性方法如：表面改性，碳包覆，杂原子掺杂以及合理的结构设计等方面进行了系统的归纳，如图1所示。最后对钴基金属硫化物类电极材料未来的研究方向和进一步的发展进行了展望，加速其在钠离子电池乃至其他电池领域的广泛应用。因此，本篇综述可以为构建和优化高性能钴基金属硫化物类电极材料提供更多的设计思路和重要理解。

图1  钴基金属硫化物类电极材料在钠离子电池中应用的概要图。

图2 碳包覆钴基金属硫化物电极材料的合成过程示意图与性能。(a) CoS₂@MCNF纳米复合材料的合成工艺。(b, c) CoS₂@MCNF的SEM和TEM图像。(d) Co₃S₄ 和 Co₃S₄@PANI的倍率性能图。

图3 碳包覆钴基金属硫化物电极材料的合成过程示意图与性能。(a, b) Co₉S₈ 和Co₉S₈@C 的合成工艺和循环性能图。(b, c) Co₉S₈@CHSs 的合成工艺与SEM和HRTEM图像。

图4 碳纳米管包覆钴基金属硫化物电极材料的合成过程示意图与性能。(a, b) 中空碳包覆 CNT/CoS 的合成工艺和倍率性能图。(c-f) CNT/CoS/C纳米线的 SEM, TEM 和 SEAD图像。(g, h) Co₃S₄/CNTs 的储钠过程模拟示意图及其倍率性能图。

图5 杂原子掺杂钴基金属硫化物电极材料的合成过程示意图与性能。(a) Co₉S₈-NC@C 的合成工艺示意图。(b, c) Co₉S₈@CYSNs 的合成过程及其TEM图像。(d-f) Co₃S₄@NC 的SEM图像与其循环和倍率性能图。

图6钴基金属硫化物/石墨烯复合电极材料的合成过程示意图与性能。(a, b) rGO/Co₉S₈ 的合成工艺及其倍率性能图。(c-e) 三明治型Co₃S₄–PNS/GS复合材料的合成工艺及其倍率和循环性能图。(f) CoS₂/GCAs 的SEM图像。(g-j) CoS₂/rGO-40 纳米复合材料的HRTEM, SAED图像以及其倍率和循环性能图。

图7 通过过渡金属硫化物进行复合改性的合成过程示意图与性能。(a, b) ZnS/CoS/CoS₂@N掺杂碳纳米颗粒的合成工艺和倍率性能图。(c-f) CoS₂/Co₄S₃@NC 的合成过程及其FESEM，XRD图像和倍率性能图。(g-j) Ni₃S₂/Co₉S₈/N掺杂碳电极材料的合成过程及其循环稳定性能和倍率性能图。

图8 双金属钴基硫化物电极材料的合成过程示意图与性能。(a, b) Ni@NiCo₂S₄ 和 Ni@MS_x 电极材料在脱/嵌钠过程中的电子转移模拟示意图及Ni@NiCo₂S₄ 的循环性能图。(c) CuCo₂S₄/rGO 的倍率性能图。(d) NiCo₂S₄@rGO 电极材料的倍率性能图。(e, f) (Ni_0.33Co_0.67)₉S₈@C 纳米球的合成过程及其TEM图像。(g, h) NiCo₂S₄@MoS₂ 异质纳米结构复合材料的合成过程及其SEM图像。(i, j) SnCoS₄ 微米花状电极材料的SEM图及其倍率性能图。

作者简介

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伊廷锋教授，现为东北大学研究生院秦皇岛分院党委书记兼院长、学科处处长。先后入选安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、World’s Top 2% Scientists 2020榜单、2019年度Clarivate Analytics材料科学领域和交叉领域 “Top 1%审稿人”，2019年获河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》编委。主持国家自然科学基金项目4项，省部级项目6项，以第一/通讯作者身份在Coordination Chemistry Reviews、Nano Energy、Nano Today、Energy Storage Materials等国际期刊发表SCI论文160余篇，H因子为37，他引6000余次，ESI高引论文19篇，热点论文2篇。

相关链接https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.06.005
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