Nano Res.│山东大学廉刚、于浩海课题组：构筑石墨烯负载花状VS₂/NC交替插层超结构实现高性能钠/钾离子存储

背景介绍

由于安全性高、成本低、与锂离子电池（LIBs）相似的性质以及资源丰富等优点，钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）作为潜在的电化学储能技术受到了广泛的关注。然而，由于Na⁺（1.02 Å）和K⁺（1.38 Å）的离子半径大于Li⁺（0.76 Å），在离子插入/提取过程中普遍存在较大的离子扩散障碍、电极动力学迟缓和体积变化大，导致电极材料发生结构粉化，循环寿命短，倍率性能差。因此，迫切需要设计具有先进结构的电极材料，实现快速可逆的Na⁺和K⁺嵌入，实现高容量、优异的循环稳定性和速率能力。与大多数半导体型过渡金属硫化物相比，VS₂的金属导电性能为能量存储提供快速的电荷转移。大半径的离子嵌入要求电极材料具有较低的离子扩散势垒和更丰富的活性位点，但VS₂有限的层间距阻碍了Na⁺/K⁺的嵌入。

成果简介

在本研究中，通过化学插层和限域空间碳化策略，在还原氧化石墨烯（rGO）上原位生长了层间扩张的花状VS₂/氮掺杂碳（VS₂/N-C）结构，构筑了单层碳-VS₂交替插层超结构，形成三维导电通路。在VS₂/N-C@rGO纳米复合结构中，超薄VS₂“花瓣”被氮掺杂多孔单层碳交替插层，层间距明显扩张（~1.02 nm），有效降低离子扩散能垒，暴露出丰富的Na⁺/K⁺嵌入活性位点，并能承受较大的体积变化。氮掺杂碳和rGO材料能够显著提高VS₂的电导率和结构稳定性。得益于上述协同效应，VS₂/N-C@rGO电极材料展现出高可逆比容量、高倍率和良好的循环稳定性（Na⁺：2A·g⁻¹的电流密度下，经过1400次循环后容量仍维持在316 mAh·g⁻¹；K⁺：1A·g⁻¹的电流密度下，经过500次循环后容量仍有216 mAh·g⁻¹）。此外，将VS₂/N-C@rGO负极材料与Na₃V₂(PO₄)₃/C正极材料组装成钠离子全电池，在0.5A·g⁻¹电流密度下循环300圈时，可逆比容量保持在183mAh·g⁻¹。该工作可为其它用于电化学储能领域的过渡金属硫化物提供新的原子界面工程设计思路。

作者简介

廉刚，山东大学晶体材料国家重点实验室副教授，博士生导师。2010年获山东大学理学博士学位。专注于低维光电功能材料、电化学能量存储和转化领域，围绕高等静压作用下低维晶体和薄膜的可控生长开展基础和应用基础研究，在高等静压溶剂/水热合成方法探索、钙钛矿为代表的一系列高质量半导体薄膜生长、二次电池电极材料设计、半导体光电功能器件等方面取得了一系列重要进展。以第一和通讯作者在Energy & Environ. Sci., Nano Energy, ACS Nano, Nano Lett., Chem. Eng. J., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, Adv. Opt. Mater., ACS Appl. Mater. & Interfaces, Nano Res.等该领域国际知名期刊上发表SCI论文40余篇，授权发明专利10余项，主持国家级及省部级科研项目6项。

文章信息

Junwei Sun, Gang Lian^*, Laiying Jing, Di Wu, Deliang Cui, Qilong Wang, Haohai Yu, Huaijin Zhang & Ching-Ping Wong. Assembly of flower-like VS₂/N-doped porous carbon with expanded (001) plane on rGO for superior Na-ion and K-ion storage. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-4060-1.