顆粒在線訊：目前，鋰離子電池已廣泛應用于我們的日常生活中，然而鋰資源的日益短缺和高成本等問題，限制了其在大規(guī)模儲能中的應用。鈉離子電池因鈉儲量豐富和安全性高等特點，可以作為鋰離子電池的有效補充，尤其在大規(guī)模儲能方面極具應用前景。

此外，鈉離子較鋰離子具有更小的斯托克斯半徑，使得其在電解液中具有更優(yōu)的擴散動力學；然而，鈉離子半徑(1.02??)大于鋰離子半徑(0.76 ?)，導致其反應動力學相對較差，并在(脫)鈉化過程中，電極材料結構內部會產生更嚴重的應力，導致很難在實現(xiàn)高容量的同時、兼具長循環(huán)壽命和快速充放電特性。因此，開發(fā)高性能的鈉離子電池電極材料迫在眉睫。

工作簡介

基于此，新加坡科技設計大學楊會穎課題組研發(fā)出一類兼具高容量、長循環(huán)壽命和快速充放電特性的鈉離子電池新型負極材料--立方尖晶石相XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)。其中，F(xiàn)eIn2S4具有最優(yōu)的電化學性能，尤其展現(xiàn)了優(yōu)異的快充能力 (在100 A g-1的電流密度下，9-13s即可完成一次充電，充電容量為200-300 mAh g-1) 和超穩(wěn)定的循環(huán)性能 (在100 A g-1的電流密度下，可穩(wěn)定循環(huán)25000周，每周循環(huán)容量損耗僅為~0.00081 %)。

隨后，作者采用動力學分析、DFT理論計算、原位XRD和非原位TEM揭示了其具有優(yōu)異電化學性能的原因。最后該團隊還制備了以Na3V2(PO4)3為正極材料、FeIn2S4為負極材料鈉離子軟包全電池。

該文章以題為“Cubic Spinel XIn2S4 (X= Fe, Co, Mn): A New Type of Anode Materials for Superfast and Ultrastable Na‐Ion Storage”發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上，新加坡科技設計大學博士后研究員閆冬和碩士研究生李可為本文共同第一作者，楊會穎副教授為通訊作者，新加坡科技設計大學為通訊單位。

圖文簡介

圖一，作者以立方尖晶石相In2.77S4為研究對象，基于同構替代的思路，利用自模板法將其四面體位的In原子替換為不同的金屬雜原子（Fe，Co，Mn），制備了一類具有立方尖晶石相的雙金屬硫化物XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)，將其用作新型的鈉離子電池負極材料。

圖二，相比于In2.77S4，XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn)具有更優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能。其中，F(xiàn)eIn2S4具有最優(yōu)的電化學性能，且其綜合性能優(yōu)于目前已報道的大部分鈉離子電池負極材料。

圖三，作者利用DFT理論計算證實了立方尖晶石相In2.77S4四面體位的X替代策略可以顯著地提高其導電性、增強鈉離子反應結合能、降低鈉離子擴散勢壘，其中Fe替代對材料的優(yōu)化效果最佳。此外，F(xiàn)e替代可以有效地減少電極材料在脫嵌鈉離子過程中產生的應力，從而顯著地提高其電化學性能。

圖四，立方尖晶石相XIn2S4 (X=Fe, Co, Mn)在不同的反應速率下，皆具有很強的贗電容行為。此外，作者利用原位和非原位的EIS證實其在不同的充放電狀態(tài)和長循環(huán)過程中具有超低的電荷轉移阻抗和超穩(wěn)定的動力學行為。

圖五，作者通過原位XRD和非原位TEM揭示了XIn2S4 (X=Fe, Co, Mn)具有功能互補的“插入-轉換-插入”階梯式儲鈉機制。在反應過程中，立方尖晶石相八面體位的In框架所主導的鈉離子脫嵌反應可以有效地緩解轉換反應所帶來的巨大體積變化，從而與四面體位的X替代策略形成協(xié)同優(yōu)化，賦予XIn2S4優(yōu)異的電化學性能。

圖六，作者以Na3V2(PO4)3為正極材料、FeIn2S4為負極材料制備了高性能的全電池，并制備了相應的鈉離子軟包全電池，進一步證實了該材料的應用前景。

核心結論

作者通過“結構-工作機制”的協(xié)同調控實現(xiàn)了具有優(yōu)異儲鈉性能的新型雙金屬硫化物的研發(fā)；證實了通過激發(fā)雙金屬硫化物中不同組分之間的協(xié)同效應，來強化堿金屬離子電池負極材料儲能的可行性；為其他新型雙/多金屬化合物負極材料的研發(fā)帶來啟示。