西北大学&中科大《AEM》：一种新型异质结构设计策略，获得高性能钠硫电池！

室温钠硫电池以其高能量密度和低成本成为可持续大规模储能系统的理想选择。然而，由于聚硫酸钠(NaPS)的穿梭效应、S的缓慢反应动力学以及NaPS转化过程的不完全，制约了RT型钠硫电池的实际应用。

 

来自西北大学和中国科学技术大学的学者设计了嵌入在球形碳超结构(Mo₂N-W₂N@PC)中的Mo₂N-W₂N异质结构，有效地抑制了“聚硫醚穿梭”，从而促进了NaPS的氧化还原反应。所设计的Mo₂N-W₂N@PC异质结构具有丰富的异质界面、高的电导率和孔隙率，有利于电子/离子扩散，对NaPS的高效转化具有很高的催化活性。获得的钠硫电池具有高的可逆容量和卓越的长期循环性能(400次循环后1A g⁻¹下为517mAh g⁻¹)和前所未有的倍率能力(2A g⁻¹下为417mAh g⁻¹)。本文还结合原位X射线衍射、非原位X射线光电子能谱、紫外-可见光谱和沉淀实验对其电催化机理进行了探讨。这项工作展示了一种新的异质结构设计策略，使高性能的钠硫电池成为可能。相关文章以“Mo₂N–W₂N Heterostructures Embedded in Spherical Carbon Superstructure as Highly Efficient Polysulfide Electrocatalysts for Stable Room-Temperature Na–S Batteries”标题发表在Advanced Materials。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202103846

图1.球形S/Mo₂N-W₂N@PC超结构制备示意图

 

图2.a)Mo-W@DA-HCl前驱体的SEM图像。b，c)SEM，d，e)TEM和f)球形Mo₂N-W₂N@PC超结构的HRTEM图像。G)球形S/Mo₂N-W₂N@PC超结构的相应映射图像的SEM和h)HAADF-STEM。I)Mo₂N-W₂N@PC和Mo₂N@PC样品的Mo M-edge和N K-edge XANES曲线。

 

图3.Mo₂N-W₂N@PC、Mo₂N@PC和W₂N@PC样品的a)Mo 3d、b)W 4f和c)N 1s的XPS谱。

图4.S/Mo₂N-W₂N@Pc样品Mo 3d(a)、W 4f(b)和N 1S(c)的a-c)XPS谱。d)Mo₂N-W₂N@PC和S/Mo₂N-W₂N@PC样品的X射线衍射图谱。(e)S/Mo₂N-W₂N@PC的热重分析曲线。f)S/Mo₂N-W₂N@PC、S/Mo₂N@PC和S/W₂N@PC样品的接触角和g)氮吸附/脱附等温线。h，i)Mo₂N-W₂N@PC、Mo₂N@PC和W₂N@PC(h)和S/Mo₂N-W₂N@PC、S/Mo₂N@PC和S/W₂N@PC(i)样品的孔径分布。

图5.RT钠硫电池用S/Mo₂N-W₂N@PC、S/Mo₂N@PC和S/W₂N@PC正极的电化学性能。a)循环伏安曲线；b)0.1Ag⁻¹时S/Mo₂N-W₂N@PC阴极的恒流充放电特性；c)0.2Ag⁻¹低电流密度下的循环性能。d)不同电流密度(0.2A、0.5A、1、2和5A g⁻¹)下的倍率能力。e)S质量负载量为2.7mgcm⁻²的厚S/Mo₂N-W₂N@PC电极的循环性能和相应的库仑效率。

图6.a)Mo₂N-W₂N@PC、Mo₂N@PC和W₂N@PC(在Na₂S₆-PC/FeC溶液中溶解12h)的UV-vis光谱和光学照片。b-d)Mo₂N-W₂N@PC(b)、Mo₂N@PC(c)和W₂N@PC(d)的恒电位放电曲线(Na₂S₆-PC/FEC)。(e)RTNa-S电池不同放电/充电状态下S/Mo₂N-W₂N@PC正极的原位X射线衍射图谱和非原位X射线光电子能谱(f，g)。

 

总地来说，这项工作合理设计了球形Mo₂N-W₂N@PC超结构，并以Mo₂N-W₂N异质结作为RT Na-S电池的S基质。Mo₂N-W₂N@PC具有优良的导电性和层次化的多孔结构，可以提高反应动力学，促进电极材料中离子的迁移。Mo₂N-W₂N@PC中丰富的微介孔可以物理地将S配置到孔隙中，并进一步适应电极材料在循环过程中的体积膨胀。更重要的是，设计合理的Mo₂N-W₂N异质结构不仅可以促进NaPS的吸附，还可以催化NaPS向Na₂S的快速转化，从而提高RT-Na-S电池的电化学性能。结果表明，S/Mo₂N-W₂N@PC正极在100次循环后仍能在0.2Ag⁻¹下放电799mAh g⁻¹，即使在400次循环后仍能保持517mAh g⁻¹在1 A g⁻¹上。本工作为构建高性能的RT型钠硫电池提供了理论指导和实验依据。（文：SSC）