Heterogestructureerde nanobloemen voor hoogwaardige natriumopslag

Een Chinees team heeft nieuw werk gepubliceerd over batterijontwerpen met heterogestructureerde nanobloemen in Vooruitgang in energiemateriaal.

“Natrium-ionbatterijen (SIB’s) zijn een veelbelovende kandidaat gebleken om lithium-ionbatterijen (LIB’s) te vervangen, omdat Na als alomtegenwoordig op aarde wordt beschouwd”, zei auteur Jun Song Chen, met School of Materials and Energy, University of Electronic Wetenschap en technologie van China. “De grotere atoomgrootte van natrium dan lithium resulteert echter in vertraagde ladingsdiffusie en ernstige volumeverandering tijdens natriumopslag, waardoor de cyclusstabiliteit en snelheidsprestaties van SIB’s verslechteren.”

Het is cruciaal om unieke elektrodematerialen met verbeterde elektrochemische eigenschappen te ontwerpen om deze nadelen aan te pakken. Chen legde uit dat overgangsmetaalsulfiden aantrekkelijk zijn voor natriumopslag tussen verschillende anodematerialen. Bovendien is het construeren van heterostructuren ook effectief om de elektrochemische eigenschappen van actieve materialen te verbeteren, wat een sterk intern elektrisch veld induceert op het grensvlak tussen twee componenten, wat een extra drijvende kracht biedt voor het transport van ionen en elektronen aan de grens.

“Geïnspireerd door deze ideeën hebben we een unieke NiS gebouwd₂/FeS heterostructuur door een meerstapsmethode, “zei Chen. “De as-gesynthetiseerde NiS₂/FeS vertoonde goede natriumopslageigenschappen met verbeterde high-rate prestaties van 156 mAh g^-1 bij 50 Ag^-1en hoge stabiele lange cyclische retentie van 606 mAh g^-1 bij 5 Ag^-1 na 1000 cycli veel beter dan andere metaalsulfide-elektroden.”

Het mechanisme van de verbeterde prestaties als gevolg van heterostructuur moet worden bevestigd. Volgens Chen werden de berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) toegepast om de reden voor de superieure batterijprestaties van de NiS bloot te leggen₂/FeS heterostructuur.

“Dan is₂/FeS-heterostructuur vertoonde de laagste Na-migratie-energiebarrière [compared to] zuiver NiS₂ en FeS, wat de snelste Na-diffusie op de interface bevestigt. Daarnaast NiS₂/FeS vertoonde de hoogste adsorptie-energie, wat impliceert dat de heterostructuur de meest stabiele adsorptie van Na opleverde, en dus verbeterde structuurstabiliteit bood bij herhaald laden/ontladen. Verder bleek uit de berekende totale DOS (TDOS) dat de NiS₂/FeS heterostructuur bezat de maximale ladingsdichtheid nabij het Fermi-niveau, wat aangeeft dat de NiS₂/FeS bezat verbeterde elektrische geleidbaarheid,” zei Chen.

“Zoals de DFT-berekeningen lieten zien, de NiS₂/FeS heterostructuur verbeterde significant de elektrische geleidbaarheid, kinetische diffusie van Na⁺ en structuurstabiliteit, wat leidde tot hoge omkeerbare capaciteiten en superieure fietsstabiliteit, wat goed overeenkwam met de experimentele resultaten.”

De onderzoekers onderzochten ook het potentieel voor commerciële toepassingen van as-gesynthetiseerd NiS₂/FeS. “We hebben de volledige celprestaties onderzocht door apparaten te assembleren met behulp van Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP) als de kathode en NiS₂/FeS als de anode,” zei Chen. “As-as-assembled NVP||NiS₂/FeS volledige cel vertoonde goede elektrochemische prestaties, met een goed commercieel potentieel.”

Dit werk biedt een effectieve aanpak voor het ontwerpen van functionele composietmaterialen met heterostructuren voor verschillende toepassingen met verbeterde eigenschappen.