有稳定结合能的Cu3VS4微球应用于超高倍率和超长寿命的钠离子电池

【文章信息】

具有稳定结合能的Cu3VS4微球应用于超高倍率和超长寿命的钠离子电池

第一作者：陈栋

通讯作者：苗晓伟*，董慧龙*，杨骏*，耿洪波*

单位：常熟理工学院，江苏科技大学，西安交通大学

【研究背景】

现今，锂离子电池（LIBs）已成为应用最广泛的电化学储能装置。此外，以资源丰富、成本低廉的Na元素为基础的钠离子电池（SIBs）也引起人们的广泛关注。制备合适、高效的电极材料是钠离子电池大规模成功应用的关键前提之一。近年来，钒基硫化物因其具有化学成分多样、层间距大以及空间结构可调等优点而引起了人们的极大兴趣。然而，由于合成工艺复杂，初始容量较低（<300 mAh g-1），倍率性能差，氧化还原机理复杂，使其商业应用的竞争力降低。

【文章简介】

近日，来自常熟理工学院的更红波教授与江苏科技大学的杨骏博士合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Microspherical copper tetrathiovanadate with stable binding site as ultra-rate and extended longevity anode for sodium-ion half/full batteries”的研究论文。该观点文章探讨了Cu3VS4的简易制备及其作为钠离子电池负极材料的性能、储钠机理及其全电池应用。

图1. Cu3VS4的形貌结构表征。

【本文要点】

要点一：超高倍率和长寿命钠离子电池半电池

如图2所示，作为SIB负极材料，Cu3VS4可以实现274 mAh g-1（20 A g-1下25000次循环）的循环稳定性和优异的速率性能（50 A g-1时为307 mAh g-1）。

图2. Cu3VS4作为钠离子电池负极材料性能。

要点二：提出了一种基于Cu3VS4的新型储钠机理

如图3所示，本论文提出了一种Cu3VS4的新型储钠机理。第一圈放电: Cu3VS4 + 8Na+ + 8e- 3Cu + V + 4Na2S；第一圈充电: 2Cu + 2V + 4Na2S Cu2S + V2S3 + 8Na+ + 8e-。Cu3VS4负极在钠离子脱嵌过程中先转化为VSx和CuSy的复合材料，然后VSx和CuSy分别进行钠离子充放电过程。经非原位晶体结构、形貌表征及DFT计算证明，Cu3VS4特殊晶体及稳定的结合能结构不仅可以提高电化学电导率、增强复合电极的稳定性，而且有助于对碱金属离子（Na+）的吸附/扩散。

图3. Cu3VS4的非原位XRD表征。

要点三：优异的全电池性能

在钠离子全电池测试中，使用Na3V2(PO4)2O2F正极与Cu3VS4装配，全电池的循环稳定性性能在0.5 A g-1下进行（图5c和S14）。全电池能量密度高达171 Wh kg-1，并在5 A g-1电流密度下经过5000次循环后，仍具有181 mAh g-1的循环稳定性，（图4）。

图4. 基于Cu3VS4的全电池性能。

【文章链接】

Microspherical copper tetrathiovanadate with stable binding site as ultra-rate and extended longevity anode for sodium-ion half/full batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722022677

【通讯作者简介】

耿洪波教授简介：2017年博士毕业于苏州大学，2015.10-2016.11 新加坡南洋理工大学国家公派留学联合培养博士。2017.7-2019.12 广东工业大学“青年百人计划A”类人才引进，特聘副教授，硕士生导师。2020.01- 常熟理工学院教授。主要致力于电化学储能材料和器件领域的研究，迄今为止，共发表SCI学术论文100余篇，其中以第一作者、通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Nano-Micro Letters等国际著名学术期刊发表论文近30篇。担任期刊Frontiers in Materials 编委，长期担任Journal of Power Sources、ACS Applied Materials & Interfaces等国际著名期刊审稿人。目前主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、南开大学重点实验室开放课题、常熟理工学院科研启动/培育基金等科研项目。

杨骏博士简介：2018年博士毕业于南京工业大学，随后入职江苏科技大学材料科学与工程学院。致力于新型纳米材料的合成及其在锂离子电池、钠离子电池、电催化、光动力治疗等方面的应用研究。目前发表SCI论文50余篇，其中以第一作者或通讯作者在Small、SCIENCE CHINA Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Green Energy & Environment、Journal of Materials Chemistry A、Nano Research等刊物发表SCI论文20余篇，个人累计引用3000多次。主持江苏省自然科学基金青年基金一项。