乔世璋&赵乃勤教授团队AEM：二维蜂窝状碳纳米片限域二硫化铼助力钠离子电池应用

【引言】

    二硫化铼（ReS₂）作为新兴的二维层状结构，因为其稳定的1T’相和极弱的层间范德瓦尔斯力，能很好地适用于锂/钠离子电池负极材料。当ReS₂用作锂/钠离子电池负极材料时，跟常用的二硫化钼（MoS₂）材料类似，在首圈“插层-转化”反应后，其层状结构发生不可逆变化；此外，转化生长的硫单质和电解液发生副反应；这些都会引起电化学容量的迅速衰减。因此，对ReS₂材料进行合理的设计并揭示其在钠离子电池工作中的电化学行为，显得尤为重要。

【成果简介】

    最近，阿德莱德大学乔世璋教授和天津大学赵乃勤教授团队（共同通讯作者）团队设计利用2D蜂窝状碳纳米片限域二硫化铼，助力其成为具有优良的倍率和长循环性能的钠离子电池负极材料，相关结果在 Adv. Energy Mater.上发表了题为“1T′‐ReS₂ Confined in 2D‐Honeycombed Carbon Nanosheets as New Anode Materials for High‐Performance Sodium‐Ion Batteries”的研究论文。制备的目标材料中：ReS₂限域在二维蜂窝状碳纳米片中，该纳米片包含rGO中间层和氮掺杂碳（N-C）包覆层（rGO@ReS₂@N-C）。如图1所示：碳复合能够有效提高材料的整体导电性；蜂窝状多孔碳纳米结构可以保护ReS₂结构并阻碍副反应的发生。因此，制备的rGO@ReS₂@N-C是一种理想的基于二维金属硫属化物（TMD）的钠离子负极材料。

图1. rGO@ReS₂@N-C负极的工作示意图。

【核心内容】

    本工作设计通过水热法，首先在氧化石墨烯基底生长ReS₂，再在得到的rGO@ReS₂表面包覆一层多巴胺，煅烧后得到rGO中间层和氮掺杂碳（N-C）包覆层构成的二维蜂窝状碳纳米片，该纳米片能限域ReS₂结构。rGO@ReS₂@N-C纳米片厚约为110 nm，呈现出大量的介孔（图2a, b）。进一步表征发现，1T’相的ReS₂被限域在还原氧化石墨烯中间层和氮掺杂碳包覆层组成的二维蜂窝状结构中（图2c, d）。将rGO@ReS₂@N-C应用钠离子电池负极时，表现出优良的倍率和长循环性能（图3）：在电流密度2A/g下循环4000次后仍具有192mAh/g的容量，在10A/g时容量为231mAh/g。这种新颖的纳米结构所表现出的特性在超快和长寿命充电电池方面将具有很好的应用潜力。

    实验结果表明，相比于ReS₂和rGO@ReS₂，rGO@ReS₂@N-C呈现出更好的导电性（7.7 ± 0.3 10^-2 s/cm），优异的结构稳定性（在电流密度2A/g下循环4000次后仍然保持着片状结构），和良好的钠离子扩散动力。理论计算表明（图4），ReS₂和G复合后，其导电性和钠离子扩散动力都得到了显著改善。

图2. rGO@ReS₂@N-C的 (a) SEM, (b) TEM图像和 (c) HRTEM图像。(d) 1T’-ReS₂层状结构的示意图。(c)图中内插为高分辨率TEM图像和相应的FFT图案；

图3. (a) rGO@ReS₂@N-C在0.2A/g下的GDC曲线；(b) rGO@ReS₂和rGO@ReS₂@ N-C的倍率性能； rGO@ReS₂@N-C 在不同扫描速率下的 (c) CV曲线和 (d) 对应电容贡献值；(e) ReS₂、rGO@ReS₂和rGO@ReS₂@N-C的大电流长循环性能。

图4. (a) ReS₂和(b) ReS₂/G分别吸附一个钠原子的电荷密度差异图；(c) ReS₂和ReS₂/G的扩散能垒的曲线图。

【小结】

    综上所述，实验和理论结果表明，二维蜂窝状碳纳米片的限域作用对ReS₂负极材料的导电性、钠离子扩散动力和结构稳定性进行了全面优化和改进，显著提高了ReS₂在钠离子电池中的循环和倍率性能。我们相信这一设计策略有望应用于其他碱金属电池负极材料。

Biao Chen, Huan Li, Huaxiong Liu, Xinqian Wang, Fangxi Xie, Yida Deng, Wenbin Hu, Kenneth Davey, Naiqin Zhao, Shi‐Zhang Qiao, 1T’-ReS₂ Confined in 2D-Honeycombed Carbon Nanosheets as New Anode Materials for High-Performance Sodium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201901146