氮掺杂碳纳米管负载双元/单元金属硫化物异质结用于构建超高倍率与超长寿命钠离子电池

第一作者：邓丁榕

通讯作者：邓丁榕*，张文军*，吴启辉*

通讯单位：集美大学，香港城市大学

钠离子电池因其资源丰富、成本低、安全性高而被视为新一代大规模储能体系的理想候选。然而，高性能负极材料的缺乏严重制约其商业化进程，尤其是在超高电流密度及低温环境下仍需保持高比容量与循环稳定性。本工作旨在通过异质结构设计与导电网络构建，协同提升材料的结构稳定性、电荷传输效率与界面稳定性，从而实现超高倍率和超长寿命的钠离子电池。

近日，集美大学吴启辉教授、邓丁榕副教授团队联合香港城市大学张文军教授等，在高性能钠离子电池负极材料研究中取得重要进展。研究团队提出了一种“原位生长-碳化/硫化”策略，成功构建出CoNi₂S₄/NiS双元/单元异质结构负极材料，并将其均匀锚定在氮掺杂碳纳米管（CNTs）构成的三维导电骨架上。这一新型结构不仅实现了材料组分之间的强耦合效应，还显著提升了电荷传输效率和结构稳定性。在极端条件下（如−20 °C、50 A g⁻¹超高倍率）依然展现出优异的储钠性能。该工作以题为“Ultrahigh-Rate and Long-Cycle Sodium-Ion Batteries via Heterojunctions of Bimetallic/Monometallic Sulfides on N-Doped Carbon Nanotubes”在国际材料学高水平期刊《Advanced Functional Materials》发表。

该材料中双元金属硫化物CoNi2S4促进了连续的离子传输，而单元金属硫化物NiS 则增加了费米能级附近的态密度，促进了多电子氧化还原反应。CoNi₂S₄与NiS构成异质结，通过界面处电荷重新分布和内建电场的形成，有效降低了Na⁺扩散势垒至1.09 eV，大幅优于单组分材料（如CoNi₂S₄的4.16 eV），从而显著提升了比容量与动力学响应速率。

CNTs作为导电网络，具有高比表面积和良好柔韧性，同时通过物理限域（孔结构吸附Na₂S）、化学吸附（吡啶氮提供Lewis碱中心）和机械缓冲三重机制，有效缓解了多硫化物溶解/穿梭效应，提升界面稳定性，并维持材料结构完整性，进一步促进电极循环寿命提升

在极高电流密度（50 A g⁻¹）条件下，CNS/NiS@CNTs仍保持285.6 mAh g⁻¹的容量，经45,000次循环后几乎无明显衰减；在20 A g⁻¹下循环6000圈仍保有78.6%的容量。这一超循环稳定性得益于Co–S共价键提供的结构刚性与三维导电骨架的缓冲作用。

在−20 °C环境下，CNS/NiS@CNTs在0.2 A g⁻¹条件下依然能够保持655.93 mAh g⁻¹的容量，容量保持率高达90.59%。其优异的低温性能归因于导电网络促进电子转移、CNT柔性结构缓解体积效应以及稳定的SEI膜形成机制。

借助第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，作者系统揭示了异质结界面电荷分布、能带结构变化以及Na⁺迁移路径演化，为实验性能提供了原子尺度的理论支撑，体现了“实验+理论”协同推动材料设计的现代思路。

　　总之，钠离子电池（SIBs）因其低成本和高安全性而被认为是大规模储能的有前景选择，但其实际应用仍受到高性能负极材料匮乏的制约。为解决这一难题，我们通过原位生长-碳化/硫化策略，设计了一种异质结构的CoNi₂S₄/NiS复合材料并负载于碳纳米管上（CoNi₂S₄/NiS@CNTs）。该独特结构实现了双元/单元金属硫化物与三维CNTs导电网络之间的紧密耦合，显著提升了Na⁺的储存动力学与结构稳定性。其中，CoNi₂S₄组分有助于连续离子传输，而NiS组分则提高了费米能级附近的态密度，促进了多电子氧化还原反应，从而实现更高容量。此外，异质结界面内建电场与CNTs网络协同作用，将Na⁺扩散势垒降低至1.09 eV。氮掺杂CNTs通过物理限域、吡啶氮的化学吸附以及机械增强三重机制，有效缓解了表面衰减并抑制了多硫化物穿梭效应。得益于上述设计，该负极材料在50 A g⁻¹下经过45,000次循环后仍保持285.6 mAh g⁻¹的超稳定可逆容量，容量保持率接近100%。即使在−20 °C的低温环境下，材料在0.2 A g⁻¹下循环80次后仍可提供655.93 mAh g⁻¹的可逆容量，容量保持率达90.59%。全电池亦表现出优异的倍率性能。本研究为通过多尺度结构调控与导电骨架构建，设计高倍率、长寿命的SIBs负极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

邓丁榕：2018年博士毕业于厦门大学化学化工学院，入选福建省高层次人才、厦门市高层次人才，现为集美大学海洋装备与机械工程学院副教授/硕士生导师。主要从事新型储能体系，关键储能材料及界面化学机理的研究。主持国家自然科学基金面上及青年项目、福建省自然科学基金优秀青年基金及面上基金、首批厦门市青年创新人才基金等项目。近年来在国际重要刊物包括Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science等上发表SCI收录论文50余篇，申请/授权发明专利专利10余项。

吴启辉：集美大学教授、博士生导师，德国“洪堡”基金学者，教育部新世纪优秀人才，福建省“闽江学者”特聘教授，厦门市“双百”创新领军人才。主持国家自然科学基金项目3项，作为单位负责人参与国家自然科学基金海峡联合重点基金1项，主持教育部新世纪优秀人才和教育部留学回国人员科技基金，获得中国产学研合作创新奖、市级自然科学奖二等奖2项。在Nature Communications、Chem、Advanced Materials、 Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等高水平学术杂志发表论文180多篇，论文他引次数达6000多次，H-index为50，入选由斯坦福大学John P.A. Ioannidis教授团队发布的全球前2%顶尖科学家。授权发明专利11项。