硕士生一作！西南石大/华盛顿大学，最新AEM！软包钠离子混合电容器！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-01 08:18

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第一作者 ：李恩智

通讯作者 ：王明珊，李星，曹国忠

通讯单位 ：西南石油大学新能源与材料学院，华盛顿大学材料科学与工程系

研究背景

钠离子混合电容器（SIHCs）是一种新兴的储能器件，由电池型和电容型电极组成，协同结合了各自的优点，旨在同时实现高能量密度、高功率密度和长寿命。然而，由于不同的电荷存储机制，电池型负极和电容型正极之间不平衡的动力学和容量阻碍了SIHCs的商业化应用。特别是，由于钠离子的直径大于锂离子，其较差的动力学性能和较大的体积膨胀加剧了电极之间的失配。因此，有必要开发具有快速电化学反应动力学、高倍率性能、低成本和良好循环稳定性的负极材料与电容型正极相匹配。

过渡金属硫化物具有较高的理论比容量和相对较弱的金属-硫键强度，被认为是有潜力的钠离子电池负极材料。其中，具有层状晶体结构的二硫化钒（VS ₂ ）与其他过渡金属硫化物材料相比具有显著的优势，包括多电子转化反应、化学和结构稳定性、金属导电性等，在高容量、快速充电和长循环寿命的SIHCs中备受关注。遗憾的是，由于其在实际电化学反应过程中较差的离子电导率以及严重的体积膨胀导致的块体材料中的电极粉化，使得其循环稳定性能远远达不到要求，限制了材料的实际应用。该研究工作从结构和界面调控的角度出发，构建了具有空间限域和硫空位缺陷的VS ₂ /Bi ₂ S ₃ 弹簧型异质结构空心微球复合材料，有效改善了Na ⁺ 的传输动力、增强结构稳定性和导电性、提高了电极的可逆容量和大倍率快速充电性能。

成果简介

近日，西南石油大学王明珊、李星教授课题组与华盛顿大学曹国忠教授课题组 合作，开发了具有空间限域和硫空位缺陷的VS ₂ /Bi ₂ S ₃ 弹簧型异质结构空心微球，用作钠离子混合电容器负极材料时，表现出超强的稳定性和快速的钠离子传输能力。

动力学分析和理论模拟计算证实 ，异质界面诱导产生的内建电场可以有效促进电荷和钠离子的传输效率。异质界面处的硫空位缺陷产生额外的钠离子赝电容存储，提高了VS ₂ /Bi ₂ S ₃ 电极的可逆容量和大倍率快速充电性能。

有限元分析和原位膨胀测试证实 了平面形貌VS ₂ 和锯齿状形貌Bi ₂ S ₃ 堆叠形成的弹簧型异质结构空心微球缓解了钠离子嵌入/脱出过程中的晶格膨胀和收缩，容纳了机械应力，保持了异质结界面的完整性。在10 A g ^-1 的电流密度下，组装的扣式SIHC可以循环稳定超过50000次。

原位XRD结合非原位XPS 和 HRTEM 阐明了材料的储钠机制，为材料合成提供理论指导。此外，成功组装1 Ah叠层软包SIHC，实现了10 C的快速充电，120 Wh kg ^-1 的高能量密度和1000次稳定的长循环性能，证实了材料的应用潜力。

相关成果以“ VS ₂ /Bi ₂ S ₃ Spring-Type Heterointerfaces Hollow Microspheres with Spatial Confinement and Vacancy Defects for Fast-Charging and Ampere-Hour Scale Pouch Sodium-Ion Hybrid Capacitors ”为题发表在国际顶级期刊 Advanced Energy Materials 上， 西南石油大学2021级硕士生李恩智为第一作者，西南石油大学王明珊、李星教授和华盛顿大学曹国忠教授为共同通讯作者。

图文导读