长江师范《Scripta》：一种分层绣球状结构用于高性能储钠阳极​！

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面对全球能源短缺和环境问题严峻的巨大挑战，可再生能源的利用和新型储能技术的开发越来越受到重视，钠离子电池(SIBs)由于钠资源供应充足、成本适中和环境友好，目前被认为是锂离子电池(LIBS)之外最具竞争力的替代品，在储能方面取得了巨大进步。尽管如此，离子Na+ SIBs系统会导致较差的使用寿命、高扩散势垒、低电势和钠储存过程中的电化学反应动力学缓慢。因此，迄今为止，针对SIBs的电极材料的合理组件选择和独特的结构设计以解决这些技术瓶颈仍然充满挑战。在负极材料方面，对多种过渡金属氧化物/硫化物进行了深入研究，在氧化物中Fe₃O₄(理论比容量924mAh/g)似乎比石墨的钠储存能力更强。然而，在脱钠/钠化过程中，Fe₃O₄的低电子电导率、缓慢的离子扩散和严重的体积变化不能满足具有高速率和超稳定寿命电化学装置的要求。尽管已经开发了许多有效的策略来解决上述问题，例如形态控制、与导电碳基质混合或选择合适的粘合剂，但它们的使用性能仍不能令人满意。

 

长江师范学院的研究人员构建了一种在Fe₃O₄纳米立方体表面改性的具有碳和MoSe₂纳米双重防御层的分级绣球状结构，Na储存寿命超过5700次循环，可逆容量达272.2 mAh/g。相关论文以题为“Hierarchical hydrangea-like configuration constructed from MoSe₂ nanosheets anchored oncore-shell Fe₃O₄@C nanocubes for highly stable and fastion-transport sodium-storage anode”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114147

 

Fe₃O₄@C@MoSe₂与此前Fe₃O₄基相比有以下显著优势：(1) 由多巴胺盐酸盐前体转化的中间碳层装饰不仅能够增加电子电导率和提高电荷转移效率，也具有抵抗放电/充电过程中释放体积膨胀引起的内部机械应力的重要作用，从而保证结构完整性；(2) 固定在碳层上的外部MoSe₂纳米片进一步确保了良好的机械强度，缓冲循环过程中的结构应力，不同层之间没有发现明显的层间间隙；(3) 具有大的表面积，可以增加接触面积，显著增强MoSe₂的电化学Na+存储性能协同效应。

 

图1 Fe₃O₄@C@MoSe₂复合材料制备过程示意图、显微组织图和XRD/XPS图

图2 Fe₃O₄@C@MoSe₂在不同循环下的放电及耐久性测试

 

图3 Fe₃O₄@C@MoSe₂与Fe₃O₄@C的各项性能对比

 

研究发现Fe₃O₄@C@MoSe₂在750次循环后的容量为280.9mAh/g，是以前的2.9倍，表现出比普通Fe₃O₄@C电极(仅96.5mAh/g)更大的稳定放电，表明大大增强了钠储存能力。与普通Fe₃O₄@C电极相比，Fe₃O₄@C@MoSe₂表现出更好的倍率性能，随着倍率从0.1增加至10.0 A/g再逐渐恢复至0.1 A/g时，第65次循环仍具有279.0 mAh/g的高放电容量，表明其具有优异的倍率可逆性。Fe₃O₄@C@MoSe₂电极的倍率性能优于大多数已有报道的基于Fe₃O₄的SIBs电极。

 

本文通过多巴胺盐酸盐的自聚合和随后的简单水热反应与碳和MoSe₂纳米片的双重防御层相结合，形成了类似绣球花的Fe₃O₄结构。Fe₃O₄@C@MoSe₂电极作为一种先进的SIBs材料，实现了显着的倍率可逆性。本文为开发用于电化学储能应用的其他高性能金属氧化物提供了一种新路径。（文：破风）