【背景】

金屬硫化物因其出色的氧化還原性和相對較高的容量，在鈉離子電池方面顯示出巨大的前景。然而，金屬硫化物在充放電過程中普遍存在電荷傳輸遲緩和體積變化嚴(yán)重的問題。

【工作介紹】

本工作通過硫化反應(yīng)，以及隨后的Zn2+和Sb3+之間的金屬陽離子交換過程，精確地合成了土豆片狀的氮摻雜碳涂層ZnS/Sb2S3異質(zhì)結(jié)（ZnS/Sb2S3@NC）。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究揭示了ZnS/Sb2S3@NC復(fù)合材料中電荷轉(zhuǎn)移的提升。因此，ZnS/Sb2S3@NC電極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（450次循環(huán)后可逆容量高達(dá)511.4 mAh g-1）和卓越的速率性能（10 A g-1時(shí)為400.4 mAh g-1）。

此外，ZnS/Sb2S3@NC是基于轉(zhuǎn)換-合金反應(yīng)機(jī)制來儲(chǔ)存Na+，這一點(diǎn)通過X射線衍射和高分辨率透射電子顯微鏡分析得到了披露。這種有效的合成方法可以為鈉離子電池其他高性能電極材料的設(shè)計(jì)提供參考。



示意圖 1. 薯片狀 ZnS/Sb2S3@NC 復(fù)合材料制備過程示意圖。



圖 1. a、b) FESEM、c、d) TEM 和 e) ZnS/Sb2S3@NC 的 HRTEM 圖像。f–k) ZnS/Sb2S3@NC 的 STEM 圖像和相應(yīng)的 Zn、Sb、S、C 和 N 元素的元素映射。



圖 2. a) XRD 圖和 b) ZnS、ZnS@NC、Sb2S3@NC 和 ZnS/Sb2S3@NC 的拉曼光譜。c）N2吸附-脫附等溫曲線，插圖為ZnS/Sb2S3@NC的相應(yīng)孔徑分布曲線。d) ZnS/Sb2S3@NC 的調(diào)查 XPS 光譜。ZnS/Sb2S3@NC 的 e) Sb 3d、f) Zn 2p、g) S 2p、h) C 1 s 和 i) N 1s 的高分辨率 XPS 光譜。



圖 3.電化學(xué)性能。



圖 4. a) ZnS/Sb2S3@NC 電極在不同掃描速率下的 CV 曲線。b) ZnS/Sb2S3@NC 電極的峰值電流與掃描速率的關(guān)系圖。c) ZnS/Sb2S3@NC 電極在 0.7 mV s-1 時(shí)的詳細(xì)電容貢獻(xiàn)。d) 四個(gè)電極在不同掃描速率下的電容和擴(kuò)散控制容量。四個(gè)電極在 e) 放電和 f) 充電過程中的反應(yīng)電阻。與四個(gè)電極相比，g) 放電和 h) 充電過程中的 DNa+。



圖 5. a–c) ZnS、Sb2S3 和 ZnS/Sb2S3 復(fù)合材料的態(tài)密度。d）異質(zhì)結(jié)構(gòu)（Sb2S3-ZnS-Na）中ZnS側(cè)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)（ZnS-Sb2S3-Na）中Sb2S3側(cè)的鈉吸附位點(diǎn)。e）所提出配置的鈉吸附能。f) 具有來自自建電場的累積 Na+ 的異質(zhì)界面示意圖。



圖 6. ZnS/Sb2S3@NC 的異位 TEM、HRTEM 和 SAED 圖像：a-d) 放電至 0.01 V，e-h) 充電至 3 V。i) ZnS/Sb2S3@NC//Na3V2(PO4)3/rGO 全電池示意圖。j) 充放電曲線和 k) 全電池在 500 mA g-1 下的循環(huán)性能，在 (k) 中插入了全電池供電的 LED 燈。

總之，通過簡單的陽離子交換方法將Sb2S3引入ZnS，成功地制備了ZnS/Sb2S3@NC復(fù)合材料。獲得的ZnS/Sb2S3@NC復(fù)合材料顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性（450次循環(huán)后可逆容量為511.4 mAh g-1）和出色的速率性能（在10 A g-1的高電流密度下可逆容量為400.4 mAh g-1）。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)合表明，ZnS/Sb2S3@NC復(fù)合材料的電荷轉(zhuǎn)移得到了提升，這也是其出色速率性能的原因。更令人鼓舞的是，ZnS/Sb2S3@NC/Na3V2(PO4)3/rGO全電池在50次循環(huán)后表現(xiàn)出226.2 mAh g-1的高容量。ZnS/ Sb2S3@NC復(fù)合材料的制備策略可以為合成其他高性能的SIB正極材料提供啟示。

審核編輯：劉清