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《纳米能源》刊发王家海教授的钠离子电池最新研究成果

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-20 14:20

正文

广州大学化学化工学院王家海教授在国际知名期刊《纳米能源》（Nano Energy，NE）上发表了题为《 Interfacial space charge designwith desired electron density to enhance sodium storage of MoS ₂ @Nb ₂ O ₅ anode 》的高水平论文。王家海教授、邵敏华教授、孙长龙教授、陈胜洲教授是论文的通讯作者，研究生许鑫为论文的第一作者。广州大学为论文第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、广州市自然科学基金等项目的支持。

图1. MoS ₂ @Nb ₂ O ₅ 的合成路线图。

钠离子电池（SIB）是一种先进的储能设备，由于钠的丰富性和可获得性，以及其出色的能量/功率密度和稳定的工作电压窗口，钠离子电池取得了显著的进展，因而备受关注。与锂离子相比，钠离子由于半径较大，会导致传输动力学缓慢。常用的石墨阳极放电能力差，循环寿命短，限制了 SIB 的广泛应用。为此，近年来人们一直在努力寻找结构更稳定、放电容量更实用的替代阳极材料。二硫化钼（MoS ₂ ）具有 0.62 纳米的宽大层间间隙，有利于钠离子的插层。MoS ₂ 具有较高的理论容量（670 mAhg ^-1 ）和较低的转换电位，因此被视为 SIB 的潜在阳极候选材料。但是在研究过程中，MoS ₂ 基阳极仍然面临着电子电导率低、钠离子传输动力学不足以及电化学反应过程中体积变化严重等挑战，导致其在长期充放电循环过程中的容量和速率能力不尽如人意。

王家海教授团队利用过渡金属氧化物氧化铌（Nb ₂ O ₅ ）的化学稳定性、电子导电性和高熔点，加速 MoS ₂ 基阳极的电化学反应动力学。利用内建电场的调控作用，增强MoS ₂ 与Nb ₂ O ₅ 间界面耦合作用，并充分利用MoS ₂ 的结构优势与Nb ₂ O ₅ 良好导电性之间的协同效应，增强MoS ₂ 电化学性能。理论计算研究进一步表明，Nb ₂ O ₅ 复合MoS ₂ 表面电子发生聚集并进行重新分布，从而促进电荷迁移，增进表面耦合作用，通过表面工程设计的界面结构，不仅能增强MoS ₂ 表面电子密度，还能极大提高充放电过程中的电荷迁移扩散效率，降低钠离子迁移能带壁垒，增强电池倍率和循环等电化学性能。