【引言】

硫（S）是用于高一種很有前景的正極材料，得益于從S到S^2-的性能心蛙雙電子轉(zhuǎn)移，其具有1675mAh g^-1的鈉硫理論容量，這比傳統(tǒng)的電池的空脫/嵌型正極高出一個(gè)數(shù)量級。鑒于其極高的用于高理論比容量，鋰-硫（Li-S）電池已被廣泛研究。性能心蛙然而，鈉硫考慮到鋰資源的電池的空稀缺性，（Na-S）電池在成本效益方面的用于高優(yōu)勢更明顯，尤其是性能心蛙對于大規(guī)模電網(wǎng)儲能應(yīng)用。傳統(tǒng)的鈉硫Na-S電池在高溫下使用β-氧化鋁作為固體電解質(zhì)，熔融的電池的空Na和S作為電極，已被成功商業(yè)化。用于高然而，性能心蛙由于放電過程無法達(dá)到Na₂S₂和Na₂S為最終產(chǎn)物，鈉硫其容量利用率有限。此外，熔融電極材料在高工作溫度下的腐蝕性會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題和高維護(hù)成本。為了克服這些問題，室溫Na-S電池是更好的選擇。由于Li-S和Na-S體系的相似性，以前對室溫 Na-S電池的研究主要集中在使用S作為正極材料。當(dāng)S用作正極時(shí)，必須將金屬Na用作陽極以與S配對，其具有嚴(yán)重的枝晶生長和低庫侖效率等問題。此外，S的體積膨脹會導(dǎo)致電極的結(jié)構(gòu)損壞和多硫化鈉的溶解/擴(kuò)散引起的穿梭效應(yīng)。考慮到這些因素，與單質(zhì)S相比，硫化鈉（Na₂S）將是更理想的正極材料，因?yàn)镹a₂S能夠與不含Na金屬的陽極配對和緩解硫的體積膨脹效應(yīng)。

【成果簡介】

近日，美國常春藤名校達(dá)特茅斯學(xué)院李瑋瑒教授（通訊作者）開發(fā)了一種簡便且可大規(guī)模生產(chǎn)的方法來合成嵌入海綿狀導(dǎo)電碳基質(zhì)中的空心硫化鈉（Na₂S）納米球，其具有類似蛙卵-珊瑚狀的有趣結(jié)構(gòu)。當(dāng)將其用于Na-S電池，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。受益于中空結(jié)構(gòu)，Na離子擴(kuò)散路徑被縮短，加之碳基質(zhì)提供的電子快速轉(zhuǎn)移，材料的電化學(xué)反應(yīng)活性被顯著地提高。電池在1.4和2.1?A g^-1的高電流密度下，分別實(shí)現(xiàn)980和790?mAh g^-1的高初始放電容量，100個(gè)循環(huán)后可逆容量穩(wěn)定在600和400?mAh g^-1。研究中，所有電流密度和放電容量基于硫的含量計(jì)算。此外，通過將空心Na₂S陰極與錫基陽極配對，實(shí)現(xiàn)了不含Na金屬的Na-S電池。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)室溫下高倍率Na-S電池材料的合理設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。相關(guān)研究成果“Frogspawn-Coral-Like Hollow Sodium Sulfide Nanostructured Cathode for High-Rate Performance Sodium-Sulfur Batteries”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一嵌入分級海綿狀碳基質(zhì)中的空心Na₂S納米球復(fù)合物的合成方法示意圖

圖二材料的物相表征

（a，b）SEM圖像

（c，d）TEM圖像

（e）材料的XRD譜圖

圖三優(yōu)化濃度的Na₂S-P₂S₅絡(luò)合物溶液化學(xué)預(yù)鈍化金屬Na陽極

（a）未溶解的Na₂S和P₂S₅以及Na₂S-P₂S₅絡(luò)合物的照片

（b）普通Na₂S陰極與裸Na（b-Na）和預(yù)鈍化Na（p-Na）配對的CV曲線

（c）新鮮Na和預(yù)鈍化Na（青色三角形：Na特征峰）的XRD光譜。

（d）預(yù)鈍化的Na（表面），Na₂S-P₂S₅絡(luò)合物，Na₂S粉末，P₂S₅粉末和空白溶劑的拉曼分析。

圖四中空納米Na₂S正極的電化學(xué)性能表征

（a）CV曲線

（b）在不同電流密度下的充放電曲線

（c，d）中空納米Na₂S和商業(yè)-Na₂S正極在不同電流密度下的循環(huán)性能和庫侖效率對比

圖五中空納米Na₂S正極的穩(wěn)定性

（a）中空納米Na₂S復(fù)合正極在2.1?Ag^-1下十次循環(huán)（放電狀態(tài)）后的SEM圖像

（b）循環(huán)前后空心Na₂S納米球的尺寸分布比較

（c）中空納米Na₂S和（d）商業(yè)-Na₂S復(fù)合正極的EIS分析

圖六不含金屬Na的Na-S電池

（a）不含Na金屬的Sn @ C /中空納米Na₂S電池的結(jié)構(gòu)示意圖

（b）Sn @ C /中空納米Na₂S電池在0.7A g^-1時(shí)的恒流充放電曲線

（c）Sn @ C /中空納米Na₂S電池在0.7Ag^-1的循環(huán)性能和庫侖效率

【小結(jié)】

總之，本文成功地合成了嵌入分級海綿狀導(dǎo)電碳基質(zhì)中的空心Na₂S納米球復(fù)合材料作為高倍率Na-S電池的正極。這種結(jié)構(gòu)的Na₂S/碳復(fù)合材料可以顯著提高Na-S電池的反應(yīng)活性，緩解體積膨脹效應(yīng)和穿梭效應(yīng)。即使在高電流密度下也具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，在1.4和2.1?Ag^-1的電流密度下，可以分別實(shí)現(xiàn)980和790?mAh g^-1的高初始放電容量，100個(gè)循環(huán)后可逆容量穩(wěn)定在600和400?mAh g^-1。即使在2.8?A g^-1的高電流密度下，仍然可以實(shí)現(xiàn)690?mAh g^-1的高初始放電容量，在100次循環(huán)后具有300?mAhg^-1的可逆容量以及95％的高庫侖效率。作為概念驗(yàn)證，通過將Sn @ C陽極與中空納米Na₂S復(fù)合陰極配對，實(shí)現(xiàn)了不含Na金屬的RT Na-S電池。該工作為高性能RT Na-S電池的材料設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

文獻(xiàn)鏈接：“Frogspawn-Coral-Like Hollow Sodium Sulfide Nanostructured Cathode for High-Rate Performance Sodium-Sulfur Batteries”(Adv. Energy Mater.DOI: 10.1002/aenm.201803251)

本文由材料人編輯部學(xué)術(shù)組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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