隨著可再生能源技術(shù)的材料快速發(fā)展，鈉離子電池因鈉資源豐富、科學(xué)課題成本低廉等優(yōu)勢(shì)，系孫成為鋰離子電池的大林重要替代。目前鈉離子電池正極材料普遍比容量相對(duì)較低，王飛金屬硫化物由于具有理論比容量大，劉洋料庫電子電導(dǎo)率高，組成電化學(xué)可逆性好等優(yōu)點(diǎn)，功構(gòu)作為鈉離子電池電極材料受到了廣泛關(guān)注。建高晶材但是熵硫，其作為儲(chǔ)鈉正極材料在充放電循環(huán)過程中面臨硫化物相熱力學(xué)穩(wěn)定性不足、化物多硫化物易溶于電解液導(dǎo)致活性物質(zhì)流失等關(guān)鍵問題。納米因此，材料開發(fā)兼具高容量和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的科學(xué)課題正極材料仍是該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。
高熵金屬硫化物（HEMS）材料憑借其獨(dú)特的系孫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和組分可調(diào)性等優(yōu)勢(shì)，為高性能鈉離子存儲(chǔ)材料開發(fā)提供了新思路。高熵材料的固溶體結(jié)構(gòu)可以保持元素均勻混合，有助于其在放電態(tài)下元素均勻混合不易團(tuán)聚。然而，多組分高熵金屬硫化物的可控制備與性能調(diào)控機(jī)制研究仍面臨重大挑戰(zhàn)。
近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系孫大林教授、王飛教授、劉洋青年研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出兩步通用合成策略，成功構(gòu)建了包含5至12種金屬元素的高熵硫化物納米晶材料庫，并揭示了其高效鈉存儲(chǔ)機(jī)制。相關(guān)成果以“High‐Entropy Metal Sulfide Nanocrystal Libraries for Highly Reversible Sodium Storage”為題發(fā)表于Advanced Materials期刊上。
該研究開發(fā)了一種普適性兩步溶劑熱合成方法，成功制備了涵蓋元素周期表中28種金屬元素的高熵金屬硫化物，實(shí)現(xiàn)了5-12種金屬陽離子的可控組合。計(jì)算表明，理論上該方法可合成的高熵金屬硫化物種類總數(shù)達(dá)7.7×10?種。通過密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬證實(shí)，兩步法能有效降低硫擴(kuò)散過程中的能量勢(shì)壘，促進(jìn)硫元素的均勻分布。基于軟硬酸堿理論建立的金屬前驅(qū)體轉(zhuǎn)化機(jī)制模型，為材料合成提供了理論指導(dǎo)。應(yīng)用于儲(chǔ)鈉正極時(shí)，得益于較低的鈉離子遷移能壘和熱力學(xué)穩(wěn)定的形成能，7元高熵金屬硫化物（7-HEMS）正極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在3000次循環(huán)后仍保持230 mAh g?1的高可逆容量。深入研究表明，放電態(tài)下金屬元素的均勻混合是材料穩(wěn)定性的主要來源。該研究不僅拓展了高熵材料納米晶庫的構(gòu)建方法，更為闡明高熵金屬硫化物的儲(chǔ)鈉穩(wěn)定性機(jī)制提供了重要理論依據(jù)。
圖1. 展示了制備的5-12元高熵金屬硫化物和儲(chǔ)鈉性能以及與其他已報(bào)道的儲(chǔ)鈉正極材料性能對(duì)比
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202418890
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