ACS Nano：M/Se (M = Fe, Co, Ni) 摻雜NbS2納米片存儲Li+ 和Na+

【引言】

鋰離子電池和鈉離子電池由于其高能量密度、長耐久性，無記憶效應而備受關注，被視為最有前途的便攜式電子設備、電動汽車能量來源。然而，為進一步推廣其實際應用，增強能量密度，耐久性和安全性仍具有重要意義。因此，越來越多的研究致力于探索大容量、快速充電、耐用性強的新電極材料。NbS₂有較高的理論容量（683 mAh g^?1）和電導率，是鋰離子電池、鈉離子電池電極材料的有力候選者。此外，其良好的層狀晶體結構允許使用靈活的方法制備二維納米結構和集成到各種應用中。同時，摻雜其他金屬可提高NbS₂的電導率。

【成果簡介】

近日，南京理工大學的朱俊武和南洋理工大學材料系顏清宇教授等人在ACS Nano上發表了題為“NbS₂ Nanosheets with M/Se (M = Fe, Co, Ni) Codopants for Li⁺ and Na⁺ Storage”的文章，報道了利用油相合成法制備過渡金屬與Se共摻雜的二維均勻的NbS₂納米片，可通過調控過渡金屬與Se含量改善M_xNb_1?xS_2?ySe_y 的形貌，并探究了其電化學性能以及NbS₂儲鋰機理。

【圖文導讀】

圖1.NbS₂的XRD及SEM圖像

(a) 不同摻雜含量的NbS₂XRD圖譜

(b) NbS₂類似花朵的SEM圖像

(c) NbS_1.6Se_0.4納米片的SEM圖像

(d) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的SEM圖像

圖2. Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的性能表征

(a) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的TEM圖像及SAED圖像

(b) (a)圖的放大

(c) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的HRTEM圖像

(d,e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4 納米片Mapping圖像

(f) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4中Nb 3d和Fe 2d的XPS分析

圖3 鋰電池電化學性能測試

(a) NbS_1.6Se_0.4納米片的CV曲線

(b) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的CV曲線

(c) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的充放電曲線

(d) NbS₂, NbS_1.6Se_0.4, Fe_0.3Nb_0.7S₂,Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4高倍率充放電曲線

(e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的循環穩定性

(f) NbS₂, NbS_1.6Se_0.4, Fe_0.3Nb_0.7S₂,Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的阻抗曲線

圖4 電學性能以及反應機理

(a)第三次循環放電至0.005V后得到立方相Li₂S

(b)第三次循環充電到0.005V后得到的電極顯微圖片

(c) 第三次循環充電到3V后得到的電極顯微圖片

(d) 純相NbS₂放電過程中轉化反應機理示意圖

(e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片在鋰電池中不同掃描速率下的CV曲線

(f) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4 和NbS_1.6Se_0.4納米片中不同的b值

(g) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4和NbS_1.6Se_0.4納米片在1 mV s^?1下的電容貢獻

(h) 不同掃描速率下Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4 和NbS_1.6Se_0.4納米片電容的貢獻比較。

圖5 鈉電池電化學性能測試

(a)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片前五次循環的CV曲線

(b)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片前五次充放電曲線

(c)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的循環比容量

(d)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的循環穩定性及EIS圖譜

【小結】

作者通過油相合成法成功制備了過渡金屬和硒摻雜NbS₂納米片。通過調整金屬鹽和硒的添加量，可以調控納米片的形貌。Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的橫向尺寸1?2μm，厚度約5 nm，達到最佳的鋰離子和鈉離子存儲性能。對于鋰離子電池，第五次循環比容量在0.1 Ag^?1條件下高達808.5 mAh g^?1，在10Ag^?1條件下達461.3 mAh g^?1。循環3000次后在5Ag^?1條件下達444 mAh g^?1比容量。此外，對于Na存儲的Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片表現出了第五次循環比容量在5 Ag^?1條件下高達136mAh g^?1，循環750次后在1Ag^?1條件下達260 mAh g^?1比容量。經處理后的HRTEM分析證實了NbS₂儲鋰機理。Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4納米片的高倍率性能通過定量電容分析進一步解釋。

文獻鏈接：NbS₂ Nanosheets with M/Se (M = Fe, Co, Ni) Codopants for Li+ and Na+ Storage（ACS Nano,2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b06133）

本文由材料人編輯部 韓百川 編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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