青岛科大《ACS Nano》：借助缺陷，大幅提高材料储钾性能！

编辑推荐：本文利用针对Fe7S8较差的储钾性能，提出了在炭复合的前提下，通过MoS2进一步改性。利用MoS2中丰富的缺陷，大大的提高了材料的储钾性能，为后续钾离子电池的开发提供了很好地思路。

 

金属硫化物由于自身较高的理论容量而在钾离子电池（PIBs）中引起了许多学者的关注。然而，金属硫化物在PIBs的实际应用中依旧没有很好地解决他们自身电导率低和体积膨胀过大的缺点。

近日，青岛科技大学的张忠华教授及其团队针对这一问题，通过在Fe₇S₈/C纳米笼上复合具有丰富钾离子通道和储K活性位点的MoS₂纳米片，大幅提高材料的储钾性能。动力学分析和理论计算也验证了引入缺陷丰富的MoS₂纳米片可以显著提高了钾离子的扩散系数。相关论文以题为“A Robust Strategy for Engineering Fe7S8/C Hybrid NanocagesReinforced by Defect-Rich MoS2 Nanosheets for Superior Potassium-Ion Storage”在ACS nano上发表。

 

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07733?goto=supporting-info

锂离子电池现在已经被广泛应用于电动汽车和智能设备。但由于锂资源的缺乏和分布不均，新型二次储能设备的开发成为必然。PIBs电池具有和锂离子电池相似的反应特性，氧化还原电位极低，与电解液和活性材料之间的反应动力学也较好且成本低廉。但是钾离子拥有较大的离子半径，使得充放电过程中的体积膨胀问题也更为严重。过渡金属硫化物由于容量高、成本低、制备简单，一直被认为是一种良好的电极材料。硫化铁(Fe₇S₈)作为一种典型的过渡金属硫化物，虽然也被大量研究。诸如空心结构和炭复合等策略虽然略有改善，但也没有很好地解决体积膨胀和反应动力学问题。缺陷的引入目前已经被证实是一种改善电极性能的有效手段，此前作者的报道也证明了富含缺陷的硫化钼纳米片。

 

本文作者合理的设计了MoS₂与Fe₇S₈复合，制备了具有相似结构与互补化学性能的空心纳米材料。应用于PIBs负极时表现出了极好的可逆容量（在4 A g^-1下循环500圈后可逆容量依旧高达286mA h g^-1）。此外，电极在0~40℃下的不同温度下也可以保持较高的比容量，显示出了较好的温度适应性。如此良好的电化学性能主要得益于空心结构、炭骨架的良好稳定性及导电性和硫化钼对电极反应动力学的提升作用。DFT计算也指出MoS₂与Fe₇S异质结结构可以有效降低钾离子进入电极的能垒。非原位XPS则对储钾反应过程进行了分析表征。此外，锁组装的全电池在0.5 A g^-1的电流密度下循环100圈后比容量也还高达165 mA h g^-1，证明材料的实际应用潜力。

 

总的来说，作者通过多种方式相结合，制备了空心Fe₇S₈/C@d-MoS₂复合材料。受益于空心结构、稳定的导电炭骨架和异质结结构，显著的降低了钾离子嵌入/脱出的反应能垒，从而获得了具有高容量和稳定倍率性能的新型PIBs电池负极材料，为后续PIBs电池负极的研发提供了极其重要的参考。（文：Today）

 

图1 材料制备示意图。

图2 样品的电镜分析结果。

图3样品的XRD、拉曼、比表面积和XPS分析。

  

图4样品的电化学性能测试。

 

图5 电极的钾离子扩散系数计算和赝电容贡献比例计算。

图6 第一性原理计算结果和非原位EIS、非原位XPS测试结果。

图7 全电池测试。