近日，董玉涛博士课题组在钠离子电池领域取得新进展，相关成果以 “Hollow cubic MnS-CoS2-NC@NC designed by two kinds of nitrogen-doped carbon strategy for sodium ion batteries with ultraordinary rate and cycling performance”为题在Nano Research（DOI: 10.1007/s12274-021-3973-z）上发表。该研究以一种简便策略构筑了两种氮掺杂碳空心结构双金属硫化物（MnS-CoS2-NC@NC）助力高容量、快充电和长寿命钠离子电池。
世界的运转离不开能源的持续供应，能源的竞争也带动了储能技术的快速发展。其中钠离子电池（SIBs）由于资源丰富，性能优异，清洁环保等优点，在未来可能会是重要的储能器件。对于SIBs的负极材料已经有大量的工作进行了探索，包括过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、磷化物以及碳材料等。在这些材料中金属硫化物是非常有前途的负极材料，因为它的导电性较氧化物好，价格比硒化物低，较磷化物的制备条件安全，比碳材料的理论容量高。然而，过渡金属硫化物作为SIBs负极材料仍面临诸多障碍，如充放电过程中体积变化严重，循环寿命差，导电性差，容量衰减快等问题。因此，我们可以通过将材料纳米化，设计空心结构以及碳包覆等策略改善材料的储钠能力，使材料表现出更加优异的电化学性能。
董玉涛等研究人员通过以Mn3[Co(CN6)]2‧9H2O作为前驱体，通过盐酸多巴胺进行包覆后，与硫粉煅烧，最终得到了具有两种氮掺杂碳结构的空心双金属硫化物（MnS-CoS2-NC@NC）。两种氮掺杂碳的纳米结构特征，不仅可以提高电极材料的整体电导率，明显有利于钠离子的快速传输，从而获得优异的倍率性能，而且还可以缓解体积膨胀，保持电池的循环稳定性。在钠离子半电池中，MnS-CoS2-NC@NC电极不仅在0.2 A g-1下提供608.5 mA h g-1的超高比容量，而且在5.0 A g-1下循环1100圈后仍然能表现出560.5 mA h g-1的倍率性能。即使在以Na3V2(PO4)3为正极材料组成的全电池中，在1.0 A g-1下循环900圈后，仍能保持436.7 mA h g-1的比容量。针对其展示出的优异的电化学性能，该课题组通过in-situ XRD和ex-situ XRD测试手段对其反应机理进行了深入的探究，揭示了MnS-CoS2-NC@NC电极在储钠过程中发生的转化反应机理。
世界的运转离不开能源的持续供应，能源的竞争也带动了储能技术的快速发展。其中钠离子电池（SIBs）由于资源丰富，性能优异，清洁环保等优点，在未来可能会是重要的储能器件。对于SIBs的负极材料已经有大量的工作进行了探索，包括过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、磷化物以及碳材料等。在这些材料中金属硫化物是非常有前途的负极材料，因为它的导电性较氧化物好，价格比硒化物低，较磷化物的制备条件安全，比碳材料的理论容量高。然而，过渡金属硫化物作为SIBs负极材料仍面临诸多障碍，如充放电过程中体积变化严重，循环寿命差，导电性差，容量衰减快等问题。因此，我们可以通过将材料纳米化，设计空心结构以及碳包覆等策略改善材料的储钠能力，使材料表现出更加优异的电化学性能。
董玉涛等研究人员通过以Mn3[Co(CN6)]2‧9H2O作为前驱体，通过盐酸多巴胺进行包覆后，与硫粉煅烧，最终得到了具有两种氮掺杂碳结构的空心双金属硫化物（MnS-CoS2-NC@NC）。两种氮掺杂碳的纳米结构特征，不仅可以提高电极材料的整体电导率，明显有利于钠离子的快速传输，从而获得优异的倍率性能，而且还可以缓解体积膨胀，保持电池的循环稳定性。在钠离子半电池中，MnS-CoS2-NC@NC电极不仅在0.2 A g-1下提供608.5 mA h g-1的超高比容量，而且在5.0 A g-1下循环1100圈后仍然能表现出560.5 mA h g-1的倍率性能。即使在以Na3V2(PO4)3为正极材料组成的全电池中，在1.0 A g-1下循环900圈后，仍能保持436.7 mA h g-1的比容量。针对其展示出的优异的电化学性能，该课题组通过in-situ XRD和ex-situ XRD测试手段对其反应机理进行了深入的探究，揭示了MnS-CoS2-NC@NC电极在储钠过程中发生的转化反应机理。
Figure 1. Schematic illustration of the synthesis of MnS-CoS2-NC@NC.
Figure 2. a) XRD analysis. b) Raman and c) XPS spectra of the MnS-CoS2-NC and the MnS-CoS2-NC@NC. d) high resolution Mn 2p, e) Co 2p, f) S 2p, g) C 1s and h) N 1s XPS spectra of the MnS-CoS2-NC@NC.
Figure 3. (a) Schematic illustration of MnS-CoS2-NC@NC-Na3V2(PO4)3 full-cells. The electrochemical performance of MnS-CoS2-NC@NC-Na3V2(PO4)3 full-cells. b) discharge–charge profiles at a current density of 0.1 A g-1. c) rate performance at different current densities. d) long cycle performance at 1.0 A g-1. e) Photo of MnS-CoS2-NC@NC- Na3V2(PO4)3 full-cells lighting up 2 LED bulbs.
Figure 4. a) In-situ XRD analysis. b) Ex-situ XRD patterns.
综上，作者将硫粉和盐酸多巴胺包覆后的Mn-Co-MOF一起煅烧，得到了具有两种氮掺杂碳的空心纳米立方体MnS-CoS2-NC@NC。两种氮掺杂碳的特征结构不仅提高了材料的整体电导率，大大促进了钠离子的快速传输，还有效缓解了体积膨胀提供了稳定性。电化学测试表明其具有优异的储钠性能，而且还通过in-situ XRD和ex-situ XRD测试手段对其反应机理进行了深入的探究，揭示了MnS-CoS2-NC@NC电极在储钠过程中发生的转化反应机理。为探索其他适合钠离子电池的负极材料提供了新的思路。
该研究成果主要由董玉涛教授团队和郑州大学张建民教授团队合作取得，河南农业大学为第一单位。该研究得到了河南农业大学拔尖人才基金（No. 30501035）及河南省科技攻关（No. 212102210586）等项目的支持。
作者简介：
董玉涛, 理学博士，河南农业大学校聘教授。主要致力于动力电池相关储能材料的研究，重点开展了新型锂/钠离子电池电极材料、锂硫电池关键材料与器件功能导向设计、可控构筑和构效关系等方面的工作。主持河南省科技攻关项目、河南农业大学拔尖人才启动基金等。近五年以第一作者或通讯作者在 Chem.Sci., J. Energy Chem., J. Colloid Interf. Sci., Nano Research, J. Mater. Chem. A 等国际知名期刊发表SCI 论文十多篇。https://www.x-mol.com/groups/dong_yutao
该研究成果主要由董玉涛教授团队和郑州大学张建民教授团队合作取得，河南农业大学为第一单位。该研究得到了河南农业大学拔尖人才基金（No. 30501035）及河南省科技攻关（No. 212102210586）等项目的支持。
作者简介：
董玉涛, 理学博士，河南农业大学校聘教授。主要致力于动力电池相关储能材料的研究，重点开展了新型锂/钠离子电池电极材料、锂硫电池关键材料与器件功能导向设计、可控构筑和构效关系等方面的工作。主持河南省科技攻关项目、河南农业大学拔尖人才启动基金等。近五年以第一作者或通讯作者在 Chem.Sci., J. Energy Chem., J. Colloid Interf. Sci., Nano Research, J. Mater. Chem. A 等国际知名期刊发表SCI 论文十多篇。https://www.x-mol.com/groups/dong_yutao