Ein chinesisches Team hat neue Arbeiten zu Batteriedesigns unter Verwendung heterostrukturierter Nanoblumen in veröffentlicht Energiematerial Fortschritte.
„Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) haben sich als vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erwiesen, da Na als allgegenwärtig auf der Erde gilt“, sagte der Autor der Studie Jun Song Chen von der School of Materials and Energy der University of Electronic Wissenschaft und Technologie Chinas. „Die größere Atomgröße von Natrium als Lithium führt jedoch zu einer verzögerten Ladungsdiffusion und einer starken Volumenänderung während der Natriumspeicherung, wodurch die Zyklenstabilität und die Ratenleistung von SIBs verschlechtert werden.“
Es ist entscheidend, einzigartige Elektrodenmaterialien mit verbesserten elektrochemischen Eigenschaften zu entwickeln, um diese Nachteile zu beseitigen. Chen erklärte, dass Übergangsmetallsulfide unter verschiedenen Anodenmaterialien für die Natriumspeicherung attraktiv sind. Außerdem ist der Aufbau von Heterostrukturen auch wirksam, um die elektrochemischen Eigenschaften von aktiven Materialien zu verbessern, die ein starkes internes elektrisches Feld an der Grenzfläche zwischen zwei Komponenten induzieren und eine zusätzliche Antriebskraft für den Ionen- und Elektronentransport an der Grenze bieten.
„Inspiriert von diesen Ideen konstruierten wir eine einzigartige NiS2/FeS-Heterostruktur durch ein mehrstufiges Verfahren“, sagte Chen. „Das so synthetisierte NiS2/FeS zeigte gute Natriumspeichereigenschaften mit einer verbesserten Hochgeschwindigkeitsleistung von 156 mAh g-1 bei 50 A g-1 und einer hochstabilen langen zyklischen Retention von 606 mAh g-1 bei 5 A g-1 nach 1000 Zyklen viel besser als andere Metallsulfidelektroden.“
Der Mechanismus der verbesserten Leistung aufgrund der Heterostruktur muss bestätigt werden. Laut Chen wurden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, um den Grund für die überlegene Batterieleistung der NiS2/FeS-Heterostruktur aufzudecken.
„Die NiS2/FeS-Heterostruktur zeigte die niedrigste Na-Migrationsenergiebarriere [compared to] reines NiS2 und FeS, was die schnellste Na-Diffusion an der Grenzfläche bestätigt. Darüber hinaus zeigte NiS2/FeS die höchste Adsorptionsenergie, was impliziert, dass die Heterostruktur die stabilste Adsorption von Na lieferte und somit eine verbesserte Strukturstabilität bei wiederholtem Laden/Entladen bot. Darüber hinaus zeigte die berechnete Gesamt-DOS (TDOS), dass die NiS2/FeS-Heterostruktur die maximale Ladungsdichte nahe dem Fermi-Niveau aufwies, was darauf hinweist, dass NiS2/FeS eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit besaß“, sagte Chen.
„Wie die DFT-Berechnungen zeigten, verbesserte die NiS2/FeS-Heterostruktur die elektrische Leitfähigkeit, die kinetische Diffusion von Na+ und die Strukturstabilität signifikant, was zu hohen reversiblen Kapazitäten und einer überlegenen Zyklenstabilität führte, was gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmte.“
Die Forscher untersuchten auch das Potenzial für kommerzielle Anwendungen von frisch synthetisiertem NiS2/FeS. „Wir haben die Leistung der gesamten Zelle untersucht, indem wir Geräte zusammengebaut haben, die Na3V2(PO4)3 (NVP) als Kathode und NiS2/FeS als Anode verwenden“, sagte Chen. „Die zusammengesetzte NVP||NiS2/FeS-Vollzelle zeigte eine gute elektrochemische Leistung mit einem guten kommerziellen Potenzial.“
Diese Arbeit bietet einen effektiven Ansatz zum Design von funktionellen Verbundmaterialien mit Heterostrukturen für verschiedene Anwendungen mit verbesserten Eigenschaften.
Mehr Informationen:
Dong Yan et al, NiS 2 /FeS Heterostrukturierte Nanoblumen für Hochleistungs-Natriumspeicherung, Energiematerial Fortschritte (2023). DOI: 10.34133/energymatadv.0012
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