Matter：受建筑学结构启发制备稳定的电池负极结构丨CellPress论文速递

由于日益消耗的锂资源，价格低廉的钠离子电池在能量转换与存储方面展示出了巨大的优势。然而在充放电过程中，电极材料特别是负极材料会发生剧烈的体积变化，这会使负极材料破碎，进而导致容量快速衰减。并且负极材料固有的低电导率严重阻碍了电子和离子的迁移，导致Na⁺扩散动力学缓慢和倍率性能不佳。目前的解决方法是碳材料包覆及结构设计（如空心、核壳、异质结构等），然而以上的方法并不能同时保持电极稳定的循环与优异的倍率性能。因此，如何设计新型电极负极结构是目前的研究热点。

在建筑学中，桁架结构是一种典型的稳定结构，其独特的三角形支撑构型可以最大程度的增强材料的结构稳定性（图1A）。然而制备桁架结构通常需要一个刻蚀过程，但刻蚀的不可控性会破坏桁架结构的接合点，导致桁架结构崩塌。

近日，北京航空航天大学郭林教授团队与新加坡科技设计大学杨会颖副教授团队联合报道了一种“选择性还原”策略来制备稳定的Cu_1.81S桁架结构。该策略的关键步骤是在刻蚀过程Cu_1.75S前体时中加入抗还原剂（Fe³⁺离子），由于Fe³⁺离子的氧化性，可以在Cu_1.75S表面部分保护，从而得到桁架结构（图1B）。并且在刻蚀过程中，还原出的Cu单质以重结晶过程会融入Cu_1.75S前体，得到Cu_1.81S相（图1C及图2）。特别的是，这种重结晶过程可以进一步加固桁架结构。当将其作为钠离子电池负极材料时，这种桁架结构解决了普通硫化物负极材料循环性能差等问题。12月5日，该工作发表于Cell Press细胞出版社旗下材料学旗舰期刊Matter上。文章共同第一作者为博士后商旸和博士生李晓霞，通讯作者为郭林教授和杨会颖副教授。

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图1. 构筑Cu_1.81S桁架结构的过程

图2. Cu_1.81S桁架结构的微结构特点

研究发现，Fe³⁺离子浓度对还原速度以及桁架结构的稳定程度有着关键作用。当不加入Fe³⁺离子时，Cu_1.75S前体被完全还原为Cu单质的框架结构（图3A）。当加入少量Fe³⁺离子时，Cu_1.75S前体部分还原为Cu单质框架结构，并在框架上重结晶出Cu₂S相（图3B）。当加入过量Fe³⁺离子时，Fe³⁺离子极大程度的减缓了刻蚀速度，从而得到空心的混合物相（Cu_1.81S和Cu_1.8S）（图3C）。

图3. Cu_1.75S前体在不同Fe³⁺离子下的还原产物

图4. Cu1.81S作为钠离子电池负极材料的电化学性能表征

当将Cu_1.81S作为钠离子电池负极材料时，在0.1A/g的电流密度下，能够实现487 mAh/g的高容量；即便在1A/g的大电流密度下，也可以稳定循环1000周（图4）。这种桁架结构的Cu_1.81S展示了其在循环稳定性方面的最大潜力。

该工作促进了材料制备方法学的发展，并有望推广至其它电池的结构设计中。并且该工作会推动跨学科的交叉研究，例如应用机械工程、土木工程等领域知识设计并创造新的电极结构。

论文通讯作者介绍

关于 郭林 教授

郭林，北京航空航天大学化学学院教授，常务副院长。1997年获北京理工大学工学博士学位，随后在中科院同步辐射国家实验室及香港科技大学从事博士后研究，2001年任北京航空航天大学首批校长直聘教授。中国化工学会无机盐专业学科带头人，国家基金委第十二、十四届材料工程学部材料评审组成员，教育部胶体与界面化学应用重点实验室学术委员。2007年获国家自然科学基金“杰出青年基金”资助，2009年入选“新世纪百千万工程国家级人选”，2010年获教育部自然科学一等奖，2012年获聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2013年获国家自然科学二等奖，2014年获“宝钢优秀教师奖”。郭林教授一直从事于微纳米材料的精细调控及其特性研究，相关成果已发表于Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等。

关于 杨会颖 副教授

杨会颖，新加坡科技设计大学副教授。2006年获新加坡南洋理工大学博士学位。随后获得新加坡政府授予的千禧博士后和李光耀学者奖励资助进行科研教学工作。2010年加入新加坡科技设计大学任教，随后在麻省理工学院机械工程系工作一年。现任美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，材料学会会员。2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖，2013年获新加坡杰出青年工程成就奖，2013年获陈嘉庚青年发明家奖，2014年获美国工程学会杰出青年奖，2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。她主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作，主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术，相关成果已发表于Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letters.等。

课题组主页：https://people.sutd.edu.sg/~yanghuiying/。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

A Selective Reduction Approach to Construct Robust Cu1.81S Truss Structures for High-Performance Sodium Storage

论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30333-9

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.10.027

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