氮摻雜碳納米管負載雙元/單元金屬硫化物異質結用于構建超高倍率與超長壽命鈉離子電池

第一作者：鄧丁榕

通訊作者：鄧丁榕*，張文軍*，吳啟輝*

通訊單位：集美大學，香港城市大學

鈉離子電池因其資源豐富、成本低、安全性高而被視為新一代大規模儲能體系的理想候選。然而，高性能負極材料的缺乏嚴重制約其商業化進程，尤其是在超高電流密度及低溫環境下仍需保持高比容量與循環穩定性。本工作旨在通過異質結構設計與導電網絡構建，協同提升材料的結構穩定性、電荷傳輸效率與界面穩定性，從而實現超高倍率和超長壽命的鈉離子電池。

近日，集美大學吳啟輝教授、鄧丁榕副教授團隊聯合香港城市大學張文軍教授等，在高性能鈉離子電池負極材料研究中取得重要進展。研究團隊提出了一種“原位生長-碳化/硫化”策略，成功構建出CoNi?S?/NiS雙元/單元異質結構負極材料，并將其均勻錨定在氮摻雜碳納米管（CNTs）構成的三維導電骨架上。這一新型結構不僅實現了材料組分之間的強耦合效應，還顯著提升了電荷傳輸效率和結構穩定性。在極端條件下（如−20?°C、50 A g?¹超高倍率）依然展現出優異的儲鈉性能。該工作以題為“Ultrahigh-Rate and Long-Cycle Sodium-Ion Batteries via Heterojunctions of Bimetallic/Monometallic Sulfides on N-Doped Carbon Nanotubes”在國際材料學高水平期刊《Advanced Functional Materials》發表。

該材料中雙元金屬硫化物CoNi2S4促進了連續的離子傳輸，而單元金屬硫化物NiS 則增加了費米能級附近的態密度，促進了多電子氧化還原反應。CoNi?S?與NiS構成異質結，通過界面處電荷重新分布和內建電場的形成，有效降低了Na?擴散勢壘至1.09 eV，大幅優于單組分材料（如CoNi?S?的4.16 eV），從而顯著提升了比容量與動力學響應速率。

CNTs作為導電網絡，具有高比表面積和良好柔韌性，同時通過物理限域（孔結構吸附Na?S）、化學吸附（吡啶氮提供Lewis堿中心）和機械緩沖三重機制，有效緩解了多硫化物溶解/穿梭效應，提升界面穩定性，并維持材料結構完整性，進一步促進電極循環壽命提升

在極高電流密度（50 A g?¹）條件下，CNS/NiS@CNTs仍保持285.6 mAh g?¹的容量，經45,000次循環后幾乎無明顯衰減；在20 A g?¹下循環6000圈仍保有78.6%的容量。這一超循環穩定性得益于Co–S共價鍵提供的結構剛性與三維導電骨架的緩沖作用。

在−20?°C環境下，CNS/NiS@CNTs在0.2 A g?¹條件下依然能夠保持655.93 mAh g?¹的容量，容量保持率高達90.59%。其優異的低溫性能歸因于導電網絡促進電子轉移、CNT柔性結構緩解體積效應以及穩定的SEI膜形成機制。

借助第一性原理密度泛函理論（DFT）計算，作者系統揭示了異質結界面電荷分布、能帶結構變化以及Na?遷移路徑演化，為實驗性能提供了原子尺度的理論支撐，體現了“實驗+理論”協同推動材料設計的現代思路。

　　總之，鈉離子電池（SIBs）因其低成本和高安全性而被認為是大規模儲能的有前景選擇，但其實際應用仍受到高性能負極材料匱乏的制約。為解決這一難題，我們通過原位生長-碳化/硫化策略，設計了一種異質結構的CoNi?S?/NiS復合材料并負載于碳納米管上（CoNi?S?/NiS@CNTs）。該獨特結構實現了雙元/單元金屬硫化物與三維CNTs導電網絡之間的緊密耦合，顯著提升了Na?的儲存動力學與結構穩定性。其中，CoNi?S?組分有助于連續離子傳輸，而NiS組分則提高了費米能級附近的態密度，促進了多電子氧化還原反應，從而實現更高容量。此外，異質結界面內建電場與CNTs網絡協同作用，將Na?擴散勢壘降低至1.09 eV。氮摻雜CNTs通過物理限域、吡啶氮的化學吸附以及機械增強三重機制，有效緩解了表面衰減并抑制了多硫化物穿梭效應。得益于上述設計，該負極材料在50 A g?¹下經過45,000次循環后仍保持285.6 mAh g?¹的超穩定可逆容量，容量保持率接近100%。即使在−20?°C的低溫環境下，材料在0.2 A g?¹下循環80次后仍可提供655.93 mAh g?¹的可逆容量，容量保持率達90.59%。全電池亦表現出優異的倍率性能。本研究為通過多尺度結構調控與導電骨架構建，設計高倍率、長壽命的SIBs負極材料提供了全新范式。

Ultrahigh-Rate and Long-Cycle Sodium-Ion Batteries via Heterojunctions of Bimetallic/Monometallic Sulfides on N-Doped Carbon Nanotubes

https://doi.org/10.1002/adfm.202513010

鄧丁榕：2018年博士畢業于廈門大學化學化工學院，入選福建省高層次人才、廈門市高層次人才，現為集美大學海洋裝備與機械工程學院副教授/碩士生導師。主要從事新型儲能體系，關鍵儲能材料及界面化學機理的研究。主持國家自然科學基金面上及青年項目、福建省自然科學基金優秀青年基金及面上基金、首批廈門市青年創新人才基金等項目。近年來在國際重要刊物包括Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science等上發表SCI收錄論文50余篇，申請/授權發明專利專利10余項。

吳啟輝：集美大學教授、博士生導師，德國“洪堡”基金學者，教育部新世紀優秀人才，福建省“閩江學者”特聘教授，廈門市“雙百”創新領軍人才。主持國家自然科學基金項目3項，作為單位負責人參與國家自然科學基金海峽聯合重點基金1項，主持教育部新世紀優秀人才和教育部留學回國人員科技基金，獲得中國產學研合作創新獎、市級自然科學獎二等獎2項。在Nature Communications、Chem、Advanced Materials、 Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等高水平學術雜志發表論文180多篇，論文他引次數達6000多次，H-index為50，入選由斯坦福大學John P.A. Ioannidis教授團隊發布的全球前2%頂尖科學家。授權發明專利11項。