超长循环寿命的强耦合二硫化钨-纳米碳复合材料的构筑及储钠机理研究

To address the current low capacity and poor stability of anode materials for sodium ion batteries, we proposed a novel tungsten sulfide-carbon nanocomposite with strong coupling interaction based on in-situ synergistic transformation and confined strategy. Taking advantage of tungsten-based organic-inorganic hybrid materials as precursors, tungsten sulfide nanosheets can be homogeneously in situ generated and embedded in carbon nano-substrates with the guidance of W-based hybrid materials. Strong coupling interaction between the interface of components allows effectively to enhance the charge transfer ability, and to improve the electrical conductivity as well as to maintain the integrity of materials. Multi-dimensional composites with strongly coupled interaction were further designed. The mechanism of sodium storage and the synergistic effect of materials with different dimensions were studied. We systematically investigate the synergistic effects of materials with different dimensions, understanding the effects of interfacial coupling of multi-scale materials on ion transport and electronic storage, illustrating the essential relationship between strongly coupled interaction and electrochemical properties, revealing the key factors for affecting the surface and interface stability. Our results would provide a novel idea for the design of anode materials for sodium ion batteries with excellent long cycling life and high rate performance.

针对钠离子电池负极材料面临的容量低和稳定性差的问题，本项目拟以钨基有机-无机杂化材料为前驱体，通过原位协同转化和限域策略，构筑得到一种具有强耦合相互作用的二硫化钨-碳纳米复合材料。利用钨基杂化材料的导向作用，硫化钨纳米片均匀生长并镶嵌在碳纳米基底材料，材料之间的强耦合相互作用可以有效的增强电荷的传输能力和提高材料的导电性和结构稳定性。进一步构建多维度不同组分的二硫化钨-碳纳米多级复合材料，深入研究材料的储钠机理，考察不同维度材料之间的协同作用，理解多尺度材料界面耦合对离子传输和电子存储的作用，阐明强耦合相互作用与电化学储能特性之间的本质关系，揭示影响储能材料表界面稳定性的关键因素，为超长循环寿命高倍率性能的钠离子电池负极材料的构筑提供新的思路。

先进的电化学储能转化器件对电极材料的性能提出了越来越高的要求，相比于有限的锂资源，地壳中蕴藏着丰富且分布均匀的钠元素，钠离子有望凭借其安全性、成本低及性价比高等特点在未来大规模储能体系有广泛的应用前景。针对钠离子电池负极材料面临的容量低和稳定性差的问题，设计合成具有可逆容量高、循环寿命长的高性能钠离子电池负极材料，已成为目前的研究热点。本项目设计构建了一系列具有强耦合相互作用的二硫化钨-碳纳米复合材料。该强耦合相互作用复合材料不仅可以有效的增强电荷的传输能力和提高材料的导电性，而且增强界面和电极的结构稳定性，还能通过构建多维度不同组分的二硫化钨-碳纳米多级复合材料，深入理解不同维度材料之间的协同作用，阐明强耦合相互作用与电化学储能特性之间的本质关系，揭示影响储能材料表界面稳定性的关键因素。项目实施期间，我们利用金属螯合配位方法制备不同结构的硫化钨纳米片耦合碳球复合结构，这些复合结构在钠离子电池中呈现高容量和优异的循环寿命；为了增强复合材料的结构稳定性，利用简单的自模板方法，成功地合成了多维度纳米管硫化物复合结构，能够提供丰富的表面活性位点和结构稳定性，因而赋予复合电极材料高容量，高倍率及超长循环稳定性。此外，基于仿生生物材料结构的启发，设计合成了一种类病毒结构TiO2@C-WSe2 核壳纳米球多级结构，表面生长WSe2 纳米片外延生长在碳基质上，形成 2D-3D 网络的杂化结构，不仅为电荷转移和离子扩散提供了丰富的通道，还缩短了电解质离子的扩散距离，在1.0 A g−1条件下的长期循环基本无衰减。我们希望这些工作的合成策略能够应用于其它电极材料的设计及应用提供借鉴，为构建为超长循环寿命高倍率性能的电池负极材料的构筑提供新的思路。该项目通过实施，相关研究结果发表在已在Small (1)、JMCA (1) 和 ACS AMI (1)等国际主流有影响的学术刊物上发表了相关工作11篇学术论文，其中SCI收录11篇，申请授权专利4项。