电子科技大学陈俊松教授团队：高导电率、高振实密度的硫掺杂硒化铁微球用于钠离子电池

文章题目：Highly conductive S-doped FeSe2-xSx microsphere with high tap density for practical sodium storage

第一作者：

肖书浩、蒋金霞

通信作者：陈俊松01

研究背景

由于钠资源丰富、电压高、储能机制与锂离子电池相似，因此钠离子电池被认为是锂离子电池的潜在替代品。但Na原子半径大(1.09 Å)，反应过程缓慢，电化学性能较差，极大地限制了钠离子电池的实际应用。因此，探索具有高储钠能力的先进电极材料具有重要意义。与金属氧化物和硫化物相比，金属硒化物具有较高的理论容量和较弱的金属-硒化物键，因此被认为是极具潜力的钠离子电池负极材料。然而，金属硒化物中钠离子扩散缓慢，电子导电性低，在很大程度上限制了这种材料的进一步发展。02

创新点

本研究制备了具有较高电子导电性和离子导电性的无碳S掺杂的FeSe₂微球(FeSe_2-xS_x)。无碳性质使该材料具有低比表面积和高振实密度，从而具有高的初始库伦效率和容量。研究表明S掺杂的FeSe_2-xS_x在半电池中展现了优异的钠储存性能，在全电池中展现了高的质量和体积能量密度。具体创新点包括以下两点：图1. 石榴状FeSe_2-xS_x和FeSe₂的合成示意图（1）采用自掺杂法制备具有高能量密度、高体积密度的石榴状FeSe_2-xS_x材料本研究设计了一种自掺杂的方法，将S引入石榴状FeSe_2-xS_x微球中。以NH₄Fe(SO₄)₂为Fe源和S源，通过溶剂热反应制备了铁基前驱体颗粒，经过气相硒化过程最终得到S掺杂的FeSe₂微球(FeSe_2-xS_x)。图2. 铁基微球FeSe_2-xS_x微球的结构形貌表征（2）采用DFT计算和实验结合的方法对FeSe_2-xS_x的储钠机理和性能进行了深入研究第一性原理计算结果表明，S掺杂不仅能提高Na的吸附能和降低Na的扩散势垒，还能提高电子导电性。与未掺杂的FeSe₂相比，FeSe_2-xS_x在2000次循环后，在5 A g^-1的高电流密度下，具有更高的可逆容量373.6 mAh g^-1；在50 A g^-1时，容量为305.8 mAh g^-1。此外，以FeSe_2-xS_x为阳极，Na₃V₂(PO₄)₃为阴极组装软包电池。该全电池的能量密度为149 Wh kg^-1，体积能量密度为312 mWh cm^-3，实验结果证实了FeSe_2-xS_x微球的应用潜力。 图3. (a) FeSe_2-xS_x和(b) FeSe₂几何优化模型，(c) 态密度，(d) FeSe_2-xS_x和(e) FeSe₂的(101)面上的Na离子迁移路径，(f) Na迁移过程中对应的迁移能垒。图4. FeSe_2-xS_x的电化学性能测试：(a) 0.1 mV s⁻¹下FeSe_2-xS_x的CV曲线，(b) 0.2 A g^-1时FeSe_2-xS_x充放电电曲线，(c) (I) FeSe_2-xS_x和(II) FeSe₂在0.5 A g⁻¹时的循环性能，(d) 倍率能力和(e) 5 A g^-1时的长循环性能。FeSe_2-xS_x的动力学分析：(f) 0.1 - 2mv s^-1扫描速率下的CV曲线，(g) 根据CV拟合得到的log i 与log v关系图，(h) 电化学阻抗谱(EIS)。图5. 不同组成比电极的比较：(a) 0.5 A g⁻¹时的循环性能，(b)倍率性能，(c)体积容量与其他工作的比较。FeSe_2-xS_x//NVP软包电池的性能：(d)充放电曲线，(e)循环性能，(f) 0.2 C (1C = 117.6 mA g^-1)下的相应容量。F插图展示一个充满电的电池可点亮16个红色led灯。03

启示

综上所述，本研究采用溶剂热法和气体硒化法制备了FeSe_2-xS_x微球。与其他报道的钠离子金属硒化物负极材料相比，FeSe_2-xS_x微球展现出优异的储钠性能。密度泛函理论计算进一步论证了S掺杂提高储能特性的机理。这项工作为制备具有高能量密度的实用钠离子电池活性材料提供了新的概念。04

作者介绍

陈俊松，电子科技大学教授，主要从事新型纳米功能材料的设计以及其在能源与催化领域的应用。研究兴趣包括界面异构材料在钠离子电池、锂硫电池、电解水等能源系统中的应用与机理研究。目前在材料化学类杂志上发表学术论文90余篇，SCI引用达到10000多次，其中多篇入选ESI高被引文章，H指数47。主持国家科技部重点研发计划子课题等项目。多次入选科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者榜。肖书浩，电子科技大学材料与能源学院2018级博士，研究方向为钠离子电池负极材料的改性与产业化。以第一作者身份在Advanced Powder Materials, ACS Nano, Small, Journal of Materials Chemistry A 等国际期刊发表相关论文8篇。05

文章信息

Shuhao Xiao, Jinxia Jiang, Ying Zhu, Jing Zhang, Hanchao Li, Rui Wu, Xiaobin Niu, Jiaqian Qin, Jun Song Chen. Highly conductive S-doped FeSe2-xSx microsphere with high tap density for practical sodium storage. Adv. Powder. Mater. 2023, 2, 100120. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100120

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