过渡金属氧族化合物异质结/开口掺杂石墨烯多级结构组装高性能钠离子电池及其电化学过程中结构演变

Sodium ion batteries are becoming a hot research spot in the field of energy storage because of the high abundance of sodium element and the low cost. Transition metal chalcogenides with high theoretical capacity is one of the most promising negative materials, but the application of these materials is limited by the weak power property and cyclic stability. The heterojunction can significantly improve the electrical and ionic conductivity of the material based on the multi-component synergistic effect and the special interfacial properties. The holey-doped graphene increases the electrical conductivity of materials while increasing the ionic conductivity of the liquid phase. This project intends to construct the multilevel-structured complex of transition metal chalcogenides heterojunction and holey-doped graphene. Controlling their microstructure and complex relationship can achieve the high effective relay transmission of solid-liquid phase of the internal and external ions and electrons of the material particles, and provide buffer space to effectively support and contain the volume changes of material during the charge and discharge process and offer confinement of the dissolution matter, to comprehensively increase the power property and cycle stability of the materials. In addition, the in-situ XRD test is used to analyze the crystal phase evolution of heterogeneous materials during the process of sodiation/desodiation, and the kinetic parameters of electrode reaction and the first-principles calculation are combined to estimate the reaction mechanism, in order to provide the theoretical basis of effectively improving the electrode reaction kinetics and structural design of the electrode materials.

钠离子电池因元素钠分布广泛、廉价而成为储能体系中新的研究热点。具有较高理论容量的过渡金属氧族化合物是其最有潜力的负极材料之一，但其功率特性和循环稳定性不够理想限制了该类材料的应用。过渡金属氧族化合物异质结基于多组分协同效应和特殊的界面特性能显著提高材料固相颗粒内部的电子和离子的传导速率；开口掺杂石墨烯在提供良好的电子电导网络的同时能提升液相中离子传导速率。本项目拟构筑过渡金属氧族化合物异质结与开口掺杂石墨烯的多级结构，通过调控它们的微观结构和复合关系，实现材料颗粒内外离子和电子的固相-液相接力高效传输，并提供缓冲空间有效支撑和容纳材料在充放电过程中的体积变化和对溶解物进行限域，综合提升电极材料的功率特性和循环稳定性。此外，通过原位XRD检测分析异质材料在嵌脱钠过程中的晶相演变，结合电极反应的动力学参数和第一性原理计算以推测反应机理，为有效提高电极反应动力学和电极材料的结构设计提供理论基础。

钠离子电池因为钠元素分布广泛，廉价等优势在储能体系中成为研究领域内备受瞩目的热点。其中具有独特性质的过渡金属氧族化合物是当前最有潜力的钠离子电池负极材料之一。但是要想充分发挥过渡金属氧族化合物的特性，调控设计合理结构的材料是至关重要的。异质结结构材料因其特殊的界面特性能显著提高固相表面反应速率和促进电荷传导。多孔石墨烯在保持石墨烯电导率的同时能大幅度提高液相中离子传导率。本项目通过设计并合成出系列过渡金属氧族异质结化合物，并巧妙引入开口多孔掺杂石墨烯，得到具有不同结构特征的过渡金属氧族化合物/开口掺杂石墨烯复合材料，通过调控它们的微观结构和复合关系，实现材料颗粒内外离子和电子的固相-液相接力高效传输，提供缓冲空间有效支撑和容纳材料在充放电过程中的体积变化和溶解物的限域，综合提升电极材料的功率特性和循环稳定性。此外，通过原位XRD检测分析异质材料在嵌脱钠过程中的晶相演变，结合电极反应的动力学参数和第一性原理计算以推测反应机理，为有效提高电极反应动力学和电极材料的结构设计提供理论基础。本项目实现不同开口孔径和不同元素掺杂的氧化石墨烯探究合成，并构建了三维立体石墨烯骨架的构建。进一步通过原位构筑策略获得了SnS/SnS2/rGO, FeS2@FeSe2，Ni@NiCo2S4，FeS2/S, SnO2/rGO, SnSe2/rGO, FeS2/C, C@Fe7S8@rGO等一系列金属氧族化合物异质结构材料，所构建的SnS/SnS2/rGO在高负载（~3 mg cm-2）的致密储能器件中具有良好的动力学特性（2A g-1下放电比容量达460.9 mAh g-1）和长循环稳定性（1 A g-1下循环500周容量保持率高达81%），实现了质量和体积容量参数的双效平衡。另外实现了低成本高性能硫化亚铁/碳复合电极的构筑，组装的全柔性钠离子电池也面容量1.42 mAh cm-2，能量密度144 Wh kg-1，非常接近于实际应用的需要。第一性原理计算进一步揭示高活性的异质界面实现快速动力学的本质在于内置电场可为电子提供有效的传输通道。本项目结果作为基础，可拓展更多不同金属氧族化合物异质结/掺杂碳材料的制备表征和储钠性能提升。