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揚(yáng)大陳銘ACS Nano: 用于堿金屬離子電池三合一混合存儲(chǔ)機(jī)制的原子焊接雙壁空心納米球

在堿金屬離子電池中，堿金屬離子嵌入/脫嵌過程中的合金化反應(yīng)產(chǎn)生的較大的體積變化會(huì)導(dǎo)致容量衰減，合理優(yōu)化電極材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是解決這些問題的有效策略之一。

MoS₂由于具有高理論比容量和二維類石墨烯結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注，然而MoS₂納米片的導(dǎo)電性差，體積變化大。Sn作為金屬具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，在熱熔狀態(tài)下具有較好的塑性。因此，合理結(jié)合Sn的熔體塑性和MoS₂的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)提高鋰/鈉/鉀電化學(xué)存儲(chǔ)值得研究。

在此，揚(yáng)州大學(xué)陳銘等人通過原位限域生長(zhǎng)和界面工程構(gòu)建并合成了雙壁中空納米球結(jié)構(gòu) (DWHNS) Sn/MoS₂ @C。Sn/MoS₂的內(nèi)部空心球是通過在高溫下用液態(tài)Sn原子焊接MoS₂納米片形成的，通過不同溫度下的形貌演變探索了層次結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。

該材料表現(xiàn)出豐富的內(nèi)部空間和高比表面積，為 Li⁺/Na⁺/K⁺提供了更多的存儲(chǔ)位點(diǎn)并在一定程度上減輕Sn基電極材料的體積效應(yīng)。

圖1. DWHNS Sn/MoS₂@C的合成與表征

因此該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的比容量和良好的可逆性，在1 A g^-1下，鋰離子電池500次循環(huán)后容量達(dá)到931 mAh g^-1，鈉離子電池400次循環(huán)后容量達(dá)到432 mAh g^-1，鉀離子電池300次循環(huán)后容量達(dá)到226 mAh g^-1。

此外，非原位測(cè)試驗(yàn)證了堿金屬離子電池中DWHNS Sn/MoS₂@C的形貌演變和機(jī)理分析，證實(shí)了堿金屬離子電池的三合一混合儲(chǔ)存機(jī)理：即碳?xì)さ牟鍖臃磻?yīng)、MoS₂的轉(zhuǎn)化反應(yīng)和Sn的合金化反應(yīng)。

圖2. 基于該復(fù)合材料的鈉離子電池和鉀離子電池的電化學(xué)性能

Atomic Welded Dual-Wall Hollow Nanospheres for Three-in-One Hybrid Storage Mechanism of Alkali Metal Ion Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c04913

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