科研速递丨最新锂电池研究成果

近日，广州大学化学化工学院王家海教授团队联合香港科技大学邵敏华教授，在锂离子电池负极材料领域取得重要进展。研究成果以Interface regulation strategy in constructing ZnS@MoS2 heterostructure with enhanced surface reaction dynamics for robust lithium-ion storage为题发表在国际知名期刊Nano Energy上。该文章提出了一种简单方法构建界面调控的ZnS@MoS2异质结构并实现了优秀的锂离子电池负极性能。

发表期刊：

《Nano Energy》

论文标题：

界面调控策略构建具有增强表面反应动力学的ZnS@MoS2异质结构以实现稳定锂离子存储（Interface regulation strategy in constructing ZnS@MoS2 heterostructure with enhanced surface reaction dynamics for robust lithium-ion storage）

第一作者：

陈辅周

通讯作者：

王家海，邵敏华

单位：

广州大学，香港科技大学，香港科技大学霍英东研究院

阅读论文全文

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109414

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研究背景

金属硫化物作为锂离子电池负极材料，近年来受到了广泛的研究和关注。它们因具有较高的理论比容量、良好的电化学活性以及相对稳定的化学性质而备受青睐。相较于传统的碳基材料，金属硫化物能够提供更多的锂储存位点，从而大幅提升电池的能量密度。尽管金属硫化物作为锂离子电池负极材料具有众多优点，但仍面临着一些挑战，如体积膨胀、电化学稳定性不足等问题。因此，研究人员正在通过各种策略，如复合材料的制备、界面工程、结构设计等方法来解决这些问题，进一步提升金属硫化物负极材料的电化学性能和使用寿命。

图1 ZnS@MoS2异质结的形貌及结构表征

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研究内容

异质结构的构建是合成具有高电化学性能的锂离子电池负极材料的一种有效方法。在本研究中，王家海教授团队通过一种设计的溶剂热策略实现了一个界面调控的ZnS@MoS2异质结构。该策略在异质结构中引入了界面调控，增加了锂吸附的活性位点，并提高了锂离子存储的整体动力学性能。在异质结构界面处引入了内建电场，增强了电子转移和锂离子迁移，从而得到高性能锂离子电池负极材料。ZnS@MoS2异质结作为锂离子电池负极展现出优秀的储锂容量和循环稳定性，在5A/g的电流密度下可以稳定循环1000圈并保持996.0 mAh/g的容量。密度泛函理论（DFT）计算的结果进一步确认，界面处的电子重新分布促进了电荷转移并降低了锂离子迁移的障碍。这项研究提出了一种新颖的界面调控策略，增强了异质结构中的锂离子存储，并揭示了改善锂存储动力学的潜在机制。具体创新点为：

1. 界面调控策略的引入：本文通过设计一种界面调控策略，系统地解决了ZnS和MoS2在异质结构中的界面匹配和电子传输效率问题，这在之前的研究中很少被报道。界面调控不仅改善了材料的电化学性能，还提高了其结构稳定性。

2. 异质结构的创新构建：采用溶剂热法成功构建了ZnS@MoS2异质结构，这种结构能够有效增加锂离子的吸附位点，并改善锂离子的迁移动力学。这种特殊的构建方式为提高电池的能量密度和循环稳定性提供了新的途径。

3. 表面反应动力学的优化：通过界面调控策略，显著增强了表面反应动力学，这意味着电池在充放电过程中能更高效、快速地进行锂离子的吸附和释放。这直接提升了电池的充放电性能，尤其是在高倍率充放电条件下。

4. 内建电场的应用：研究中在ZnS@MoS2异质结构的界面处引入了内建电场，该电场有助于促进电子的快速转移和锂离子的迁移，进一步提升了电池的充电效率和稳定性。这种方法在提高电池性能方面展现了巨大的潜力。

图2 ZnS@MoS2异质结电化学表征及性能测试

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研究相关

陈辅周博士为本文的第一作者，王家海教授和邵敏华教授为共同通讯作者，广州大学为第一通讯单位。

王家海教授简介：

广州大学化学化工学院教授、研究生和博士后导师。2008年5月美国University of Florida化学学院毕业，师从Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美国约翰霍普金斯大学化学生物工程系博士后，从事微纳米器件加工课题，致力于智能器件的设计及其应用性能的探讨；2009年1月至2014年8月，分别在中科院苏州纳米所和长春应用化学研究所任副研究员，从事体外诊断纳米孔检测相关的技术开发。2014年10月加入山东大学，任研究员，从事氢能源催化剂材料的开发。2017年至今加入广州大学。入选中国科学院首批促进会会员，广州市高层次青年后备青年人才，全球顶尖十万科学家之一。目前团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 等国际著名期刊上。

邵敏华教授简介：

香港科技大学化学与生物工程学系讲座教授，能源研究院院长。1999年和2002年在厦门大学分别获得化学学士和硕士学位，2006年在纽约州立大学石溪分校获得材料科学与工程博士学位。2007年加入UTC Power，期间主要领导和丰田汽车的合作，共同开发车用燃料电池先进技术。2012年被提升为UTC Technical Fellow (工程系列最高职称)。2013年加入福特汽车公司，专注下一代电动车用理离子电池的研究。2014年加盟香港科大。已发表了200余篇论文，被引超过20000余次，H指数62。是国家重点研发计划新能源汽车重点专项课题负责人，已经申请了30多项国际专利(19项授权)。是Journal of The Electrochemical Society的副主编，香港青年科学院创院院士，曾任国际电化学会电化学过程工程与技术部副主席，现任美国电化学会能源技术部秘书。他获得多个奖项，包括美国电化学会青年研究者奖(2014)和美国电化学会学生成就奖(2007)。

【来源：广大科研】