中南大学纪效波：镍钴硫化物用于超快/高性能钠离子存储：形态结构，物相演变和界面性质的研究

【引言】

过渡金属硫族化合物作为钠离子电池的负极材料，由于其高导电性、良好的热稳定性和丰富的氧化还原化学作用，引起了研究者在能量储存领域的广泛关注。双金属硫化物NiCo2S4具有比相应的单金属硫化物相对更高的比容量，并且表现出更好的电化学活性，意味着它作为高性能储能器件的电极材料具有巨大的潜力。尽管如此，NiCo2S4仍然存在体积膨胀和副反应等问题，导致其循环稳定性差。此外，由于钠离子半径较大，应进一步改善该类材料动力学性能以满足钠离子的高速存储行为。通过形态工程设计，控制尺寸大小，并引入具有高电导率的杂原子掺杂的碳基质可提供足够的活性位点和改善主体材料的电子传导性，从而有效改善其电化学性能。

【成果简介】

近日，中南大学纪效波教授课题组（通讯作者）在国际顶级期刊EnergyStorage Materials 上成功发表 “The Advance of Nickel-Cobalt-Sulfide asUltra-fast/high Sodium Storage Materials: The Influences of MorphologyStructure, Phase Evolution and Interface Property”的论文。论文第一作者为李思杰。通过自下而上的策略制备了N掺杂碳基质包覆的均匀NiCo2S4纳米点（〜9nm）（NiCo2S4@NC）。利用适配的醚基电解质（NaCF3SO3/DEGDME），其灵活的一维链结构溶剂-盐的相互作用可促进更快的钠离子迁移，并且在最佳电压区域（0.4-3.0V）可以有效地避开副反应而保持可逆的相变。此外，详细的动力学探索揭示了材料的表面赝电容行为；一系列原位电化学阻抗分析（in-situ EIS）进一步探索了NiCo2S4@NC在嵌纳/脱纳过程中规律的双界面电阻变化，验证材料的可逆物相演化和碳基质稳定性。该研究希望能为双金属硫化物在能量储存领域的研究提供依据。

【全文解析】

图1.（a）XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）TG曲线和（d）N2吸脱附等温线和孔径分布曲线

图2. XPS谱图以及相应分峰。

 图3.（a）EDTA-NiCo，（b）NiCo2S4，（c）NiCo2S4@NC的SEM,（d）NiCo2S4@NC对应元素的Mapping,（e-f）TEM，（g）HRTEM，（h）SAED和（i）EDS。

 图4. 不同电解液条件下的（a, b, e）循环性能和（c, d）恒电流充/放电平台（f）电解液作用机理示意图。

 图5. 不同电压区间下的（a,g）循环性能和（b ,c）恒电流充/放电平台（d, e, f）CV曲线。

 图6.（a）倍率性能，（b）对应充/放电曲线，（c）NiCo2S4@NC在大电流密度下的长循环性能; （d）4500-4510充放电曲线循环。

图7. 充放电循环后NiCo2S4@NC的（a）SEM，（b）TEM，（c）HRTEM和（d）SAED。

 图8.（a）NiCo2S4@NC和（b）NiCo2S4在不同扫描速率下的CV曲线，（c）Ip和v1/2之间的线性关系，（d）log(i)与log(v)之间的关系，（e）电容贡献（NiCo2S4@NC为粉红色，NiCo2S4为黄色）和扩散贡献（绿色），（f）不同扫描速率下电容贡献率。

图9.（A1-C1）EIS曲线及其等效电路和（A2-C2）相应的简化模型。

图10. 不同电压下的（a）物相演变模型图，（b，c）EIS曲线和（d，e）ω1/ 2与-Z之间的关系和（f）电阻变化。

该工作得到国家重点研发计划(2017YFB0102000,2018YFB0104200)，国家自然科学基金（51622406,21673298, 21473258），中南大学创新驱动计划（2017CX004,2018CX005）的支持。

Sijie Li, Peng Ge, Feng Jiang,Honglei Shuai, Wei Xu, Yunling Jiang, Yang Zhang, Jiugang Hu, Hongshuai Hou, Xiaobo Ji, The Advance of Nickel-Cobalt-Sulfide as Ultra-fast/high Sodium Storage Materials: TheInfluences of Morphology Structure, Phase Evolution and Interface Property, Energy Storage Materials, DOI:10.1016/j.ensm.2018.06.006

通讯作者简介

纪效波，牛津大学博士, 麻省理工学院博士后，中南大学化学化工学院教授，博士生导师，中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会秘书长，中南大学学术委员会委员，理学部主任，英国皇家化学会会士。“国家优秀青年基金”获得者，“长江学者奖励计划”青年长江学者，教育部“新世纪优秀人才计划”等，主要研究领域为新能源材料与器件。在Energy &Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, AdvancedFunctional Materials, Nano Energy等国际权威期刊上发表120余篇SCI论文，获得国际发明专利3项，授权中国发明专利17项。

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