锑基硫化物异质结构的有效构筑、界面调控及储钠性能研究

Antimony sulfide (Sb2S3) is considered as one of the most potential anode material for sodium ion batteries, owing to its high specific capacity and good electrical conductivity. However, for Sb2S3-based anode materials, the reaction interface of intermediate Na2S/Sb is complex and unstable during the sodiation/desodiation process, resulting in the electrode pulverization and structural collapse with poor reversibility of conversion reaction, which would induce the low initial coulombic efficiency and rapid decay of reversible capacity. To figure out these problems, the combination of in-situ XRD and in-situ Raman spectroscopy will be performed in this project, to investigate the phase evolution during conversion reaction process for Sb2S3, clarifying the variation of Na2S/Sb interface and revealing the key factors for improved initial coulombic efficiency and enhanced long cycling stability. A beneficial strategy of constructing the binary metal sulfide (Sb2S3-NSx) heterogeneous is proposed, illustrating the variation process of the Na2S/Sb interface among the multi-component phases. The mechanism that the reversibility for conversion reaction of Na2S/Sb can be improved by heterointerface regulation, is clearly elucidated. Moreover, it demonstrates the multi-relationship among “component-structure-performance”, which can improve the initial coulombic efficiency and reversibility of conversion reaction according to the effective regulation of component and structure. As a result, it provides a fundamental insight for the design and development of metal sulfide anode materials for high-performance sodium ion batteries.

硫化锑(Sb2S3)具有高比容量和良好导电性等特点，被认为是一种有应用潜力的钠离子电池负极材料。但Sb2S3基材料在嵌/脱钠过程中，中间产物Na2S/Sb反应界面复杂而不稳定，造成电极粉化和结构破坏，导致转化反应可逆性变差，易出现首次库伦效率低和可逆容量迅速衰减等现象。针对这些问题，申请人拟采用原位XRD和原位拉曼光谱相结合技术，分析Sb2S3在储钠转化反应过程中的结构演变，阐明Na2S/Sb有效界面的变化规律，揭示影响首次库伦效率和长循环稳定性的作用因素；提出建立二元金属硫化物（Sb2S3-NSx）异质结框架的新策略，掌握多组元相中Na2S/Sb有效界面的变化规律，阐明异质结界面调控对Na2S/Sb转化反应可逆性的改善机理；建立“组分-结构-性能”多角度关系，实现对组分/结构的有效调控，提高其首次库伦效率和转化反应可逆性，为设计和开发高容量金属硫化物储钠电极材料提供理论依据和材料基础。

硫化锑（Sb2S3）具有高比容量和良好导电性等特点，被认为是一种有应用潜力的钠离子电池负极材料。但Sb2S3基材料在嵌/脱钠过程中，中间产物Na2S/Sb反应界面复杂而不稳定，造成电极粉化和结构破坏，导致转化反应可逆性变差，易出现首次库伦效率低和可逆容量迅速衰减等现象。针对以上问题，本项目重点通过构筑异质结构、调控反应界面等手段，设计制备不同形貌结构复合材料，利用多组元协同效应有效提升Sb2S3基材料的储钠性能。主要成果如下：.1）针对硫化物负极材料导电性差的问题，通过Zn元素均匀掺杂，本质上改善Sb2S3的内部能带结构，增加载流子数量；同时，构筑剑麻状形貌结构，使材料纳米化，可以有效分散内应力并增加电荷吸附。通过这种“内外兼修”策略，可以极大提升Sb2S3材料的储钠性能；在0.1 A/g倍率下，其表现出810.8 mAh/g的首圈初始容量，首次库伦效率高达95.4%。.2）针对异质复合材料构筑不可控及物相均匀的问题，利用水热法—高温气相硫化法，设计并制备了绣球花状Sb2S3/MoS2@C异质结构复合电极材料。其均匀分布的异质结构可以产生自建电场，加速电子和钠离子传输速率。同时，复合材料中Sb2S3和MoS2有不同的反应电位，中间产物互相抑制，增加了Na2S/Sb可逆反应界面，有效缓解材料的体积应力。因此，该材料展现出优异的循环性能，在5.0 A/g的大倍率下循环650圈后仍可保持411.5 mA h/g的可逆比容量。.3）为进一步提升异质结构稳定性以及中间反应产物可逆性，设计并合成了多层中空Sb2S3@FeS2@C纳米棒状异质结构复合材料。生长在表面的FeS2颗粒紧密包裹了内层中空棒状Sb2S3，有效缓解了Sb2S3体积膨胀带来的结构坍塌和电极粉化，提高了转化反应的可逆性，从而使这种层级状异质结构获得优异的循环稳定性和可逆比容量。在5.0 A/g的大倍率下循环1000圈后容量保持率高达85.7%。.通过本项目的研究，深入分析了Sb2S3基材料的微观异质结构特征，明晰了特殊界面对电化学性能提升的机理，阐明了异质结界面调控对Na2S/Sb转化反应可逆性的改善机理，建立了储钠电化学过程中“组元-结构-界面”的多角度关系，对进一步设计和开发高容量金属硫族化合物储钠电极材料具有科学意义和借鉴价值。