广西大学朱金良、NIMS和昆士兰大学Chem. Sci.：合成强化学键核-壳过渡金属硫化物TMS纳米线与碳层结合应用在钠离子电池

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研究背景

温室效应和环境污染等问题随着化石燃料的过度使用而日益加重，大力发展可再生能源（如风能、地热能、水力、潮汐能和太阳能等）在人类生产生活中的呼声日益高涨，因此可再生能源的贮存问题逐渐成为国内外关注的焦点。然而，这些能源是间歇性的，它们高度依赖天气，地理位置和季节等因素。迄今为止，大型储能系统（ESSs）被认为是将这些间歇可再生能源连续、稳定和可控集成并入电网的最佳选择。其中，电化学储能技术存在许多优势，包括无污染运行，转化效率高，应用灵活，能满足不同的电网功能需要。如今，锂离子电池成功的商业化应用使得锂资源的使用量以爆发式的增长，然而锂矿资源仅分布在地球的几个地区（70%集中在南美洲），而且丰度很低，开发困难，导致锂盐价格迅速上升，锂离子电池的成本迅速增高，因此需要寻找资源丰富、开采便利和价格低廉的其它材料来替代锂。在元素周期表中，钠和锂元素都属于第Ⅰ主族，也称为碱金属，具有类似的物理和化学性质。钠在地球上资源丰富（地壳中含量为23.6*103 mg/kg）、分布广泛和开发成本低廉，适合应用在大型储能系统中。此外，金属钠的标准氧化还原电位比锂的标准氧化还原电位高约0.3 V，因而钠离子电池电解液的可选择性比锂离子电池的更多。同时，钠离子电池的工作电压一般也比锂离子电池高，使得电池的使用安全性也更高。如今，随着大规模储能系统需求量的大幅度增长，钠离子电池在国内外再一次迎来研究热潮。

文章简介

广西大学朱金良副教授、日本国立材料研究所Xingtao Xu和澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授合作在知名期刊Chemical Science上发表题为“One-Dimensional Core-Shell Motif Nanowires with Chemically-Bonded Transition Metal Sulfide-Carbon Heterostructure for Efficient Sodium-Ion Storage”的文章，文中提出一种类似化学气相沉积的策略，合成出具有强化学键的核-壳过渡金属硫化物(TMS)@碳纳米线，TMS纳米线与均匀碳层同时生长并紧密结合，应用在钠离子电池中可以显著提高电化学性能。
图1.(A) FeS@NSC的XRD图谱 (B) Raman光谱图 (C) SEM图 (D-E)TEM图 (F) HRTEM图像 (G) HADDF-STEM图及对应元素分布 
图2.(A) 钠化过程原位透射实验示意图 (B-E) FeS@NSC不同钠化/去钠化过程的TEM图像:(B) 初始阶段 (C) 钠化 (D) 去钠化 (E) 钠化 (F) FeS@NSC放电过程的XRD图谱 (G) FeS@NSC充放电过程物相变化的原子模型。

本文要点

要点一：

与现有文献报道的碳包覆铁基硫化物纳米复合材料的多步制备方法不同，本文提出了一种简便、高效的一步热处理方法制备氮硫共掺杂碳原位包覆FeS纳米棒（FeS@NSC）。在这种类似化学气相沉积（CVD）的策略中，使用固态含氮和硫的树脂取代气相前驱物作为S，N和C源。热解树脂产生气相硫源与金属基泡沫Fe反应，在泡沫金属表面生长出一维FeS，同时在其表面沉积碳并获得同轴氮硫共掺杂碳原位包覆FeS (FeS@NSC)。
要点二：
在钠离子电池的钠化/脱钠化过程中，碳壳与金属之间的强相互作用以及原位生成的C-S-Fe键有助于FeS与Na之间的可逆转化。原位TEM研究表明，在单根FeS@NSC纳米棒的钠化和去钠化过程中，碳壳与FeS之间形成的强化学键显著限制了FeS的体积变化。在去钠化之后形成了四方晶体结构的FeS而不是最初密排六方结构的FeS。这是因为碳壳和FeS之间原位生成的C-S-Fe键可支持t-FeS在钠离子存储中的可逆转化。
要点三：
与最近报道的基于FeS的材料和其他金属硫化物相比，FeS@NSC具有优异的可逆容量和更高的循环稳定性。这是由于一维结构的氮硫共掺杂碳原位包裹FeS提供了连续的单向电子传输路径，降低了电荷传输电阻，提高了电极的电导率和动力学，并可以实现大电流充电和放电。 

原文链接

https://doi.org/10.1039/D1SC04163K

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