李亚栋&王定胜&温珍海JACS：单原子钇电极用于可充电Na-S电池！

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研究内容

室温钠−硫（Na-S）由于电池的理论能量密度高（1274 Wh kg-1）具有成本低、资源丰富、环境友好等优点。可充电Na-S电池由于具有相当高的能量密度、丰富的元素和低廉的成本，因此非常有前景，但同时也面临S的缓慢氧化还原动力学、多硫化物穿梭效应以及钠枝晶生长的问题。

清华大学李亚栋院士、王定胜教授和中国科学院海西研究院温珍海研究员利用密度泛函理论（DFT）计算和电化学研究实现高性能Na-S电池。合成的基于Y-SAs/NC的Na-S全电池可提供822 mAh g−1的高容量，并显示出超耐久的循环性能（在5 A g-1的高电流密度下，1000次循环的容量保持率为97.5%)。相关工作以“Single-Atom Yttrium Engineering Janus Electrode for Rechargeable Na−S Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 根据理论指导预测，稀土金属钇（Y）−N4单元可以降低Na2S分解势垒，显示出多硫化物（Na2S6）的强大吸收能量，并提供有效的亲钠位点以促进均匀钠成核。

要点2. 根据理论预测，作者采用一种金属−有机框架（MOF），设计并合成了单原子杂化物，其中Y个单原子被并入掺氮的菱形十二面体碳主体（Y-SAs/NC）中，该主体具有良好的亲钠性和亲硫性Janus特性。因此，当用作Na-S电池的电极主体时，具有非常理想的电化学性能。

要点3. 构建的Y SAs/NC-S|| Y SAs/NC Na全电池可提供822 mAh g-1的高容量，并显示出优异的倍率性能和超耐久的循环性能（在5 A g-1的高电流密度下，1000次循环的容量保持率为97.5%)。综合机理研究进一步表明，Y原子位可以电催化从S8还原为最终产物Na2S的反应，加速反应动力学，有效缓解“穿梭效应”，并在镀钠/汽提过程中表现出高电流密度下的稳定循环。

该三维（3D）印刷电池和Na-S袋电池验证了这种Na-S全电池的潜在实际应用，为钠电池的发展提供了线索用于未来的储能或动力电池。

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研究图文

图1.（a）Na2S在不同衬底上的分解势垒，包括YN4/C、MnN4/C，ZnN4/C、NiN4/C、NC、CuN4/C、FeN4/C和CoN4/C。（b）与YN4/C相比，Na2S6在MnN4/C、ZnN4/C、NiN4/C和NC、CuN4/C，FeN4/C以及CoN4/C上的吸附能。（c）YN4/C和NC的电子定位函数图。YN4/C（d）和NC（e）电极在特定模拟时间（t=0、100、300和500 ps）的分子动力学模拟快照。（f）模拟时间而言，钠原子的数量有三个以上的钠配位。YN4/C（g）和NC（h）电极上Na吸附电荷密度差的俯视图和侧视图；黄色和蓝色部分分别代表电子积累和损失区域。（i）钠从石墨烯晶格迁移到YN4部分的扩散能垒。

图2. Y SA/NC的透射电镜图像（a）和AC-HAADF-STEM图像（b）。（c）插入（b）的放大AC-HAADF-STEM图像。（d）Y SAs/NC的EDS元素映射。红色、黄色和绿色球分别表示C、N和Y元素。（e）不同样品的Y K-edge X射线吸收近边结构（XANES）和（f）傅里叶变换（FT）k3加权扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）。（g）Y SAs/NC的EXAFS拟合图。插图显示了Y SAs/NC的原理模型。（h-j）Y SAs/NC、Y2O3和Y箔的小波变换EXAFS（WTEXAFS）图。

图3. 不同电极在1.0 mAh-cm-2，1 mA cm-2沉积容量下的（a）库仑效率和（b）相应电压分布。（b）的插图：放大的电压曲线。（c）Y SAs/NC Na|Y SAs/NC-Na和NC-Na|NC-Na对称电池在不同电流密度（0.5−7 mA cm-2）及容量为1.0 mAh cm-2下的倍率性能。插图：选择性放大电压−时间曲线。（d）Y SAs/NC Na和NC Na对称电池的长期稳定性。插图显示了相应的局部放大电压−时间曲线。（e）循环后NC Na和Y SAs/NC Na的扫描电子显微镜（SEM）图像。（f）NC和Y SAs/NC电极上的镀钠行为示意图。

图4.（a）在0.1 mV s-1下测量的Y SAs/NC-S和NC-S的CV曲线。（b）通过恒流充电测量−放电测量的由Y SAs/NC-S组成的Na-S电池在室温下的原位拉曼光谱。（c）Y SAs/NC-S在0.1 A g-1的不同充放电状态下的原位XPS光谱。（d）Y SAs/NC-S在原始状态和0.1 A g-1选定充电/放电状态下的Y K-edge XANES光谱。（e）不同状态下对应的Y K-edge傅里叶变换（FT）k3加权EXAFS谱。Y SAs/NC-S（f）和NC-S（g）电池在0.1 A g-1下，从初始状态到放电状态下多硫化物截留的目视确认。（h）Y SAs/NC-S和NC-S在放电循环16 h后的紫外线−可见（UV−vis）光谱。（i）Y SAs/NC和NC上S逐步还原的吉布斯自由能。中间产物在两种底物上的详细优化结合如插图（i）所示。

图5.（a）Y SAs/NC-S||Y SAs/NC Na全电池示意图。（b）包括Y SAs/NC-S||Y SAs/NC Na、Y SAs/NC-S||Na和NC-S|| Na完整单元的Na-S全电池的倍率性能。（c）5 A g-1时不同全电池的长期循环1000次的稳定性。（d）Y SAs/NC-S||Y SAs/NC Na全电池（Y SAs/NC-S负载1.4 mg cm−2）和三维（3D）打印Y SAs/NC-S|| Y SAs/NC Na全电池，Y SAs/NC-S负荷为3.1和6.5 mg cm-2，0.2 A g-1时的循环性能比较。（e）柔性Na-S袋电池的示意图。（f）Na−S袋电池的循环性能。（g）星形图显示了Y SAs/NC同时调节正极和负极的设备性能，并与一些最先进的Na-S系统进行了比较。

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文献详情

Single-Atom Yttrium Engineering Janus Electrode for Rechargeable Na-S Batteries

Erhuan Zhang, Xiang Hu, Lingzhe Meng, Min Qiu, Junxiang Chen, Yangjie Liu, Guiyu Liu, Zechao Zhuang, Xiaobo Zheng, Lirong Zheng, Yu Wang, Wei Tang, Zhouguang Lu, Jiatao Zhang, Zhenhai Wen,* Dingsheng Wang,* Yadong Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c07655