【背景】

金屬硫化物因其出色的氧化還原性和相對較高的容量，在鈉離子電池方面顯示出巨大的前景。然而，金屬硫化物在充放電過程中普遍存在電荷傳輸遲緩和體積變化嚴重的問題。

【工作介紹】

本工作通過硫化反應，以及隨后的Zn2+和Sb3+之間的金屬陽離子交換過程，精確地合成了土豆片狀的氮摻雜碳涂層ZnS/Sb2S3異質(zhì)結（ZnS/Sb2S3@NC）。理論計算和實驗研究揭示了ZnS/Sb2S3@NC復合材料中電荷轉移的提升。因此，ZnS/Sb2S3@NC電極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（450次循環(huán)后可逆容量高達511.4 mAh g-1）和卓越的速率性能（10 A g-1時為400.4 mAh g-1）。

此外，ZnS/Sb2S3@NC是基于轉換-合金反應機制來儲存Na+，這一點通過X射線衍射和高分辨率透射電子顯微鏡分析得到了披露。這種有效的合成方法可以為鈉離子電池其他高性能電極材料的設計提供參考。



示意圖 1. 薯片狀 ZnS/Sb2S3@NC 復合材料制備過程示意圖。



圖 1. a、b) FESEM、c、d) TEM 和 e) ZnS/Sb2S3@NC 的 HRTEM 圖像。f–k) ZnS/Sb2S3@NC 的 STEM 圖像和相應的 Zn、Sb、S、C 和 N 元素的元素映射。



圖 2. a) XRD 圖和 b) ZnS、ZnS@NC、Sb2S3@NC 和 ZnS/Sb2S3@NC 的拉曼光譜。c）N2吸附-脫附等溫曲線，插圖為ZnS/Sb2S3@NC的相應孔徑分布曲線。d) ZnS/Sb2S3@NC 的調(diào)查 XPS 光譜。ZnS/Sb2S3@NC 的 e) Sb 3d、f) Zn 2p、g) S 2p、h) C 1 s 和 i) N 1s 的高分辨率 XPS 光譜。



圖 3.電化學性能。



圖 4. a) ZnS/Sb2S3@NC 電極在不同掃描速率下的 CV 曲線。b) ZnS/Sb2S3@NC 電極的峰值電流與掃描速率的關系圖。c) ZnS/Sb2S3@NC 電極在 0.7 mV s-1 時的詳細電容貢獻。d) 四個電極在不同掃描速率下的電容和擴散控制容量。四個電極在 e) 放電和 f) 充電過程中的反應電阻。與四個電極相比，g) 放電和 h) 充電過程中的 DNa+。



圖 5. a–c) ZnS、Sb2S3 和 ZnS/Sb2S3 復合材料的態(tài)密度。d）異質(zhì)結構（Sb2S3-ZnS-Na）中ZnS側和異質(zhì)結構（ZnS-Sb2S3-Na）中Sb2S3側的鈉吸附位點。e）所提出配置的鈉吸附能。f) 具有來自自建電場的累積 Na+ 的異質(zhì)界面示意圖。



圖 6. ZnS/Sb2S3@NC 的異位 TEM、HRTEM 和 SAED 圖像：a-d) 放電至 0.01 V，e-h) 充電至 3 V。i) ZnS/Sb2S3@NC//Na3V2(PO4)3/rGO 全電池示意圖。j) 充放電曲線和 k) 全電池在 500 mA g-1 下的循環(huán)性能，在 (k) 中插入了全電池供電的 LED 燈。

總之，通過簡單的陽離子交換方法將Sb2S3引入ZnS，成功地制備了ZnS/Sb2S3@NC復合材料。獲得的ZnS/Sb2S3@NC復合材料顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性（450次循環(huán)后可逆容量為511.4 mAh g-1）和出色的速率性能（在10 A g-1的高電流密度下可逆容量為400.4 mAh g-1）。

理論計算和實驗研究的結合表明，ZnS/Sb2S3@NC復合材料的電荷轉移得到了提升，這也是其出色速率性能的原因。更令人鼓舞的是，ZnS/Sb2S3@NC/Na3V2(PO4)3/rGO全電池在50次循環(huán)后表現(xiàn)出226.2 mAh g-1的高容量。ZnS/ Sb2S3@NC復合材料的制備策略可以為合成其他高性能的SIB正極材料提供啟示。

審核編輯：劉清