近日，廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王家海教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)邵敏華教授，在鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以Interface regulation strategy in constructing ZnS@MoS2 heterostructure with enhanced surface reaction dynamics for robust lithium-ion storage為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nano Energy上。該文章提出了一種簡(jiǎn)單方法構(gòu)建界面調(diào)控的ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的鋰離子電池負(fù)極性能。

發(fā)表期刊：

《Nano Energy》

論文標(biāo)題：

界面調(diào)控策略構(gòu)建具有增強(qiáng)表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鋰離子存儲(chǔ)（Interface regulation strategy in constructing ZnS@MoS2 heterostructure with enhanced surface reaction dynamics for robust lithium-ion storage）

第一作者：

陳輔周

通訊作者：

王家海，邵敏華

單位：

廣州大學(xué)，香港科技大學(xué)，香港科技大學(xué)霍英東研究院

閱讀論文全文

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109414

01

研究背景

金屬硫化物作為鋰離子電池負(fù)極材料，近年來(lái)受到了廣泛的研究和關(guān)注。它們因具有較高的理論比容量、良好的電化學(xué)活性以及相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)而備受青睞。相較于傳統(tǒng)的碳基材料，金屬硫化物能夠提供更多的鋰儲(chǔ)存位點(diǎn)，從而大幅提升電池的能量密度。盡管金屬硫化物作為鋰離子電池負(fù)極材料具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如體積膨脹、電化學(xué)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。因此，研究人員正在通過(guò)各種策略，如復(fù)合材料的制備、界面工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法來(lái)解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步提升金屬硫化物負(fù)極材料的電化學(xué)性能和使用壽命。

圖1 ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)的形貌及結(jié)構(gòu)表征

02

研究?jī)?nèi)容

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是合成具有高電化學(xué)性能的鋰離子電池負(fù)極材料的一種有效方法。在本研究中，王家海教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種設(shè)計(jì)的溶劑熱策略實(shí)現(xiàn)了一個(gè)界面調(diào)控的ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該策略在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入了界面調(diào)控，增加了鋰吸附的活性位點(diǎn)，并提高了鋰離子存儲(chǔ)的整體動(dòng)力學(xué)性能。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處引入了內(nèi)建電場(chǎng)，增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)移和鋰離子遷移，從而得到高性能鋰離子電池負(fù)極材料。ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)作為鋰離子電池負(fù)極展現(xiàn)出優(yōu)秀的儲(chǔ)鋰容量和循環(huán)穩(wěn)定性，在5A/g的電流密度下可以穩(wěn)定循環(huán)1000圈并保持996.0 mAh/g的容量。密度泛函理論（DFT）計(jì)算的結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)，界面處的電子重新分布促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移并降低了鋰離子遷移的障礙。這項(xiàng)研究提出了一種新穎的界面調(diào)控策略，增強(qiáng)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鋰離子存儲(chǔ)，并揭示了改善鋰存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)的潛在機(jī)制。具體創(chuàng)新點(diǎn)為：

1. 界面調(diào)控策略的引入：本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種界面調(diào)控策略，系統(tǒng)地解決了ZnS和MoS2在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的界面匹配和電子傳輸效率問(wèn)題，這在之前的研究中很少被報(bào)道。界面調(diào)控不僅改善了材料的電化學(xué)性能，還提高了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)建：采用溶劑熱法成功構(gòu)建了ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效增加鋰離子的吸附位點(diǎn)，并改善鋰離子的遷移動(dòng)力學(xué)。這種特殊的構(gòu)建方式為提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性提供了新的途徑。

3. 表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化：通過(guò)界面調(diào)控策略，顯著增強(qiáng)了表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，這意味著電池在充放電過(guò)程中能更高效、快速地進(jìn)行鋰離子的吸附和釋放。這直接提升了電池的充放電性能，尤其是在高倍率充放電條件下。

4. 內(nèi)建電場(chǎng)的應(yīng)用：研究中在ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面處引入了內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)有助于促進(jìn)電子的快速轉(zhuǎn)移和鋰離子的遷移，進(jìn)一步提升了電池的充電效率和穩(wěn)定性。這種方法在提高電池性能方面展現(xiàn)了巨大的潛力。

圖2 ZnS@MoS2異質(zhì)結(jié)電化學(xué)表征及性能測(cè)試

03

研究相關(guān)

陳輔周博士為本文的第一作者，王家海教授和邵敏華教授為共同通訊作者，廣州大學(xué)為第一通訊單位。

王家海教授簡(jiǎn)介：

廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、研究生和博士后導(dǎo)師。2008年5月美國(guó)University of Florida化學(xué)學(xué)院畢業(yè)，師從Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)化學(xué)生物工程系博士后，從事微納米器件加工課題，致力于智能器件的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用性能的探討；2009年1月至2014年8月，分別在中科院蘇州納米所和長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所任副研究員，從事體外診斷納米孔檢測(cè)相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)。2014年10月加入山東大學(xué)，任研究員，從事氫能源催化劑材料的開(kāi)發(fā)。2017年至今加入廣州大學(xué)。入選中國(guó)科學(xué)院首批促進(jìn)會(huì)會(huì)員，廣州市高層次青年后備青年人才，全球頂尖十萬(wàn)科學(xué)家之一。目前團(tuán)隊(duì)研究方向包括能源催化材料、鋰電池、生物化學(xué)傳感器、納米孔單分子計(jì)數(shù)器和5G通訊。代表性成果發(fā)表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 等國(guó)際著名期刊上。

邵敏華教授簡(jiǎn)介：

香港科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)系講座教授，能源研究院院長(zhǎng)。1999年和2002年在廈門(mén)大學(xué)分別獲得化學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，2006年在紐約州立大學(xué)石溪分校獲得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位。2007年加入U(xiǎn)TC Power，期間主要領(lǐng)導(dǎo)和豐田汽車的合作，共同開(kāi)發(fā)車用燃料電池先進(jìn)技術(shù)。2012年被提升為UTC Technical Fellow (工程系列最高職稱)。2013年加入福特汽車公司，專注下一代電動(dòng)車用理離子電池的研究。2014年加盟香港科大。已發(fā)表了200余篇論文，被引超過(guò)20000余次，H指數(shù)62。是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)課題負(fù)責(zé)人，已經(jīng)申請(qǐng)了30多項(xiàng)國(guó)際專利(19項(xiàng)授權(quán))。是Journal of The Electrochemical Society的副主編，香港青年科學(xué)院創(chuàng)院院士，曾任國(guó)際電化學(xué)會(huì)電化學(xué)過(guò)程工程與技術(shù)部副主席，現(xiàn)任美國(guó)電化學(xué)會(huì)能源技術(shù)部秘書(shū)。他獲得多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括美國(guó)電化學(xué)會(huì)青年研究者獎(jiǎng)(2014)和美國(guó)電化學(xué)會(huì)學(xué)生成就獎(jiǎng)(2007)。

【來(lái)源：廣大科研】