趙天壽教授組最新進展: 一種極具潛力的鈉離子電池負極材料-類磷烯結構硫/硒化硅

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文為大賽第4篇參賽作品，由SCI期刊Science Bulletin編輯部投稿。

【引言】

隨著世界清潔能源的快速發展，對儲能技術，尤其是大規模儲能的需求日益迫切，電池儲能是其中一個重要的發展方向。當前以對鋰離子電池的研究和應用最為廣泛，但由于鋰元素的儲量相對有限，制約其成為大規模儲能的理想選擇。鈉離子電池因使用價格低廉且來源廣泛的鈉元素，被視作鋰離子電池最具發展潛力的替代品。但長期以來，因鈉離子電池負極材料嚴重缺失，阻礙了該電池的發展。

【成果簡介】

為了尋找高性能鈉離子電池負極材料，香港科技大學趙天壽教授課題組歷經數年研究，近來在該領域取得突破。研究發現類磷烯結構硫化硅和硒化硅有望成為下一代鈉離子電池負極材料。磷烯是一種新型合成的具有獨特褶皺表面的二維材料，實現其在鈉離子電池中應用的關鍵在于如何克服該材料在氧與水存在時所表現出的高度不穩定性。趙教授課題組提出使用“原子嬗變”方法來設計類磷烯結構，有效利用了磷烯獨特的原子結構，同時克服了其不穩定性，首次成功嘗試采用類磷烯結構硫化硅和硒化硅作為鈉離子電池的負極材料。

計算結果表明：類磷烯結構硫化硅和硒化硅可達到的最大鈉/硫化硅與鈉/硒化硅之比為1，對應的硫化硅負極和硒化硅負極的理論比容量為445.6和250.4 mAh/g。同時，在整個嵌鈉過程中，硫化硅和硒化硅的體積膨脹非常小，保證了電極在不斷充放電過程中的結構穩定性。更為重要的是，鈉在硫化硅和硒化硅上表現出遠高于在傳統負極材料中的擴散速率，對應的鈉擴散能壘僅為0.135和0.158 eV，有利于實現鈉離子電池優良的倍率性能。

【圖文導讀】

圖1. 類磷烯結構硫/硒化硅結構示意圖

(a), (b)分別為類磷烯結構硫化硅和硒化硅俯視圖和側視圖；

(c)為類磷烯結構硫化硅和硒化硅高對稱吸附位點

圖2. 類磷烯結構硫/硒化硅嵌鈉過程吸附能及晶格常數變化規律

(a), (b)分別為類磷烯結構硫化硅和硒化硅嵌鈉過程吸附能隨鈉濃度的變化；

(c), (d)分別為類磷烯結構硫化硅和硒化硅晶格常數隨鈉濃度的變化

圖3. 鈉離子在類磷烯結構硫/硒化硅的擴散能壘

(a), (b)分別為鈉離子在類磷烯結構硫化硅和硒化硅上沿不同擴散路徑的能量曲線；

(c), (d), (e)為鈉離子在類磷烯結構硫化硅和硒化硅上的擴散路徑

圖4. 類磷烯結構硫/硒化硅導電性

(a), (b)分別為類磷烯結構硫化硅和硒化硅在嵌鈉前后的電子態密度圖

【小結】

這一研究預測了一種極具潛力的高性能鈉離子電池負極材料，開辟了鈉離子電池負極材料設計新思路，促進了高能量密度、高功率密度以及高倍率性能鈉離子電池的發展。

該項目由中國香港特別行政區研究資助局提供支持 (16213414)。