楊會穎課題組AEnM：新型鈉電極材料，100Ag穩定迴圈25000周

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【研究背景】

目前，鋰離子電池已廣泛應用於我們的日常生活中，然而鋰資源的日益短缺和高成本等問題，限制了其在大規模儲能中的應用。鈉離子電池因鈉儲量豐富和安全性高等特點，可以作為鋰離子電池的有效補充，尤其在大規模儲能方面極具應用前景。此外，鈉離子較鋰離子具有更小的斯托克斯半徑，使得其在電解液中具有更優的擴散動力學；然而，鈉離子半徑（1。02）大於鋰離子半徑（0。76 ），導致其反應動力學相對較差，並在（脫）鈉化過程中，電極材料結構內部會產生更嚴重的應力，導致很難在實現高容量的同時、兼具長迴圈壽命和快速充放電特性。因此，開發高效能的鈉離子電池電極材料迫在眉睫。

【工作介紹】

近日，

新加坡科技設計大學楊會穎課題組研發出一類兼具高容量、長迴圈壽命和快速充放電特性的鈉離子電池新型負極材料--立方尖晶石相XIn2S4(X = Fe, Co, Mn)。

其中，FeIn2S4具有最優的電化學效能，尤其展現了優異的快充能力 （在100 A g-1的電流密度下，9-13s即可完成一次充電，充電容量為200-300 mAh g-1） 和超穩定的迴圈效能 （在100 A g-1的電流密度下，可穩定迴圈25000周，每週迴圈容量損耗僅為~0。00081 %）。隨後，作者採用動力學分析、DFT理論計算、原位XRD和非原位TEM揭示了其具有優異電化學效能的原因。最後該團隊還製備了以Na3V2（PO4）3為正極材料、FeIn2S4為負極材料鈉離子軟包全電池。該文章以題為“Cubic Spinel XIn2S4（X= Fe， Co， Mn）： A New Type of Anode Materials for Superfast and Ultrastable NaIon Storage”發表在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上，新加坡科技設計大學博士後研究員閆冬和碩士研究生李可為本文共同第一作者，楊會穎副教授為通訊作者，新加坡科技設計大學為通訊單位。

【內容表述】

圖一 作者以立方尖晶石相In2。77S4為研究物件，基於同構替代的思路，利用自模板法將其四面體位的In原子替換為不同的金屬雜原子（Fe，Co，Mn），製備了一類具有立方尖晶石相的雙金屬硫化物XIn2S4（X = Fe， Co， Mn），將其用作新型的鈉離子電池負極材料。

圖二 相比於In2。77S4，XIn2S4（X = Fe， Co， Mn）具有更優的倍率效能和迴圈效能。其中，FeIn2S4具有最優的電化學效能，且其綜合性能優於目前已報道的大部分鈉離子電池負極材料。

圖三 作者利用DFT理論計算證實了立方尖晶石相In2。77S4四面體位的X替代策略可以顯著地提高其導電性、增強鈉離子反應結合能、降低鈉離子擴散勢壘，其中Fe替代對材料的最佳化效果最佳。此外，Fe替代可以有效地減少電極材料在脫嵌鈉離子過程中產生的應力，從而顯著地提高其電化學效能。

圖四 立方尖晶石相XIn2S4 （X=Fe， Co， Mn）在不同的反應速率下，皆具有很強的贗電容行為。此外，作者利用原位和非原位的EIS證實其在不同的充放電狀態和長迴圈過程中具有超低的電荷轉移阻抗和超穩定的動力學行為。

圖五 作者透過原位XRD和非原位TEM揭示了XIn2S4 （X=Fe， Co， Mn）具有功能互補的“插入-轉換-插入”階梯式儲鈉機制。在反應過程中，立方尖晶石相八面體位的In框架所主導的鈉離子脫嵌反應可以有效地緩解轉換反應所帶來的巨大體積變化，從而與四面體位的X替代策略形成協同最佳化，賦予XIn2S4優異的電化學效能。

圖六 作者以Na3V2（PO4）3為正極材料、FeIn2S4為負極材料製備了高效能的全電池，並製備了相應的鈉離子軟包全電池，進一步證實了該材料的應用前景。

【結論】

作者透過“結構-工作機制”的協同調控實現了具有優異儲鈉效能的新型雙金屬硫化物的研發；證實了透過激發雙金屬硫化物中不同組分之間的協同效應，來強化鹼金屬離子電池負極材料儲能的可行性；為其他新型雙/多金屬化合物負極材料的研發帶來啟示。

作者簡介：

楊會穎，新加坡科技與設計大學終身副教授，博士生導師。2006年於新加坡南洋理工大學獲得博士學位後即獲得新加坡政府授予的千禧博士後和李光耀學者獎勵資助進行科研教學工作。2010年加入新加坡科技設計大學任教至今，期間於2011年在麻省理工學院機械工程系工作一年。現任英國皇家化學學會會士，美國材料學會、美國工程學會、新加坡物理學會和材料學會會員。她曾榮獲多項國際科技獎項，其中2010年獲新加坡歐萊雅女性國家科學家獎、2013年獲新加坡傑出青年工程成就獎和陳嘉庚青年發明家獎、2014年獲美國工程學會傑出青年獎、2018年獲新加坡物理學會奈米科技獎。主持多個新加坡和國際重大專案，主張透過功能設計、低維奈米材料的化學摻雜等方式為可持續能源和環境提供各種高效的裝置和技術。獲授權多項國際專利，並先後在Energy & Environmental Science，Nature Communications，Advance Materials等國際頂級期刊上發表SCI論文280餘篇，他引14005次，H指數65。