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世界的運轉(zhuǎn)離不開能源的持續(xù)供應，能源的競爭也帶動了儲能技術(shù)的快速發(fā)展。其中鈉離子電池（SIBs）由于資源豐富，性能優(yōu)異，清潔環(huán)保等優(yōu)點，在未來可能會是重要的儲能器件。對于SIBs的負極材料已經(jīng)有大量的工作進行了探索，包括過渡金屬氧化物、硫化物、硒化物、磷化物以及碳材料等。在這些材料中金屬硫化物是非常有前途的負極材料，因為它的導電性較氧化物好，價格比硒化物低，較磷化物的制備條件安全，比碳材料的理論容量高。然而，過渡金屬硫化物作為SIBs負極材料仍面臨諸多障礙，如充放電過程中體積變化嚴重，循環(huán)壽命差，導電性差，容量衰減快等問題。因此，我們可以通過將材料納米化，設計空心結(jié)構(gòu)以及碳包覆等策略改善材料的儲鈉能力，使材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學性能。

董玉濤等研究人員通過以Mn3[Co(CN6)]2?9H2O作為前驅(qū)體，通過鹽酸多巴胺進行包覆后，與硫粉煅燒，最終得到了具有兩種氮摻雜碳結(jié)構(gòu)的空心雙金屬硫化物（MnS-CoS2-NC@NC）。兩種氮摻雜碳的納米結(jié)構(gòu)特征，不僅可以提高電極材料的整體電導率，明顯有利于鈉離子的快速傳輸，從而獲得優(yōu)異的倍率性能，而且還可以緩解體積膨脹，保持電池的循環(huán)穩(wěn)定性。在鈉離子半電池中，MnS-CoS2-NC@NC電極不僅在0.2 A g-1下提供608.5 mA h g-1的超高比容量，而且在5.0 A g-1下循環(huán)1100圈后仍然能表現(xiàn)出560.5 mA h g-1的倍率性能。即使在以Na3V2(PO4)3為正極材料組成的全電池中，在1.0 A g-1下循環(huán)900圈后，仍能保持436.7 mA h g-1的比容量。針對其展示出的優(yōu)異的電化學性能，該課題組通過in-situ XRD和ex-situ XRD測試手段對其反應機理進行了深入的探究，揭示了MnS-CoS2-NC@NC電極在儲鈉過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應機理。

Figure 1. Schematic illustration of the synthesis of MnS-CoS2-NC@NC.

Figure 2. a) XRD analysis. b) Raman and c) XPS spectra of the MnS-CoS2-NC and the MnS-CoS2-NC@NC. d) high resolution Mn 2p, e) Co 2p, f) S 2p, g) C 1s and h) N 1s XPS spectra of the MnS-CoS2-NC@NC.

Figure 3. (a) Schematic illustration of MnS-CoS2-NC@NC-Na3V2(PO4)3 full-cells. The electrochemical performance of MnS-CoS2-NC@NC-Na3V2(PO4)3 full-cells. b) discharge–charge profiles at a current density of 0.1 A g-1. c) rate performance at different current densities. d) long cycle performance at 1.0 A g-1. e) Photo of MnS-CoS2-NC@NC- Na3V2(PO4)3 full-cells lighting up 2 LED bulbs.
 

Figure 4. a) In-situ XRD analysis. b) Ex-situ XRD patterns. 

綜上，作者將硫粉和鹽酸多巴胺包覆后的Mn-Co-MOF一起煅燒，得到了具有兩種氮摻雜碳的空心納米立方體MnS-CoS2-NC@NC。兩種氮摻雜碳的特征結(jié)構(gòu)不僅提高了材料的整體電導率，大大促進了鈉離子的快速傳輸，還有效緩解了體積膨脹提供了穩(wěn)定性。電化學測試表明其具有優(yōu)異的儲鈉性能，而且還通過in-situ XRD和ex-situ XRD測試手段對其反應機理進行了深入的探究，揭示了MnS-CoS2-NC@NC電極在儲鈉過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應機理。為探索其他適合鈉離子電池的負極材料提供了新的思路。

該研究成果主要由董玉濤教授團隊和鄭州大學張建民教授團隊合作取得，河南農(nóng)業(yè)大學為第一單位。該研究得到了河南農(nóng)業(yè)大學拔尖人才基金（No. 30501035）及河南省科技攻關（No. 212102210586）等項目的支持。

作者簡介：

董玉濤, 理學博士，河南農(nóng)業(yè)大學校聘教授。主要致力于動力電池相關儲能材料的研究，重點開展了新型鋰/鈉離子電池電極材料、鋰硫電池關鍵材料與器件功能導向設計、可控構(gòu)筑和構(gòu)效關系等方面的工作。主持河南省科技攻關項目、河南農(nóng)業(yè)大學拔尖人才啟動基金等。近五年以第一作者或通訊作者在 Chem.Sci., J. Energy Chem., J. Colloid Interf. Sci., Nano Research, J. Mater. Chem. A 等國際知名期刊發(fā)表SCI 論文十多篇。