非线性热效应对锂离子电池电化学性能的影响

《Journal of Energy Storage》：Impact of nonlinear thermal effects on electrochemical performance in lithium-ion cells

钠离子电池阳极材料通过微波辅助合成构建MnSe/MoSe?异质结构并包覆N掺杂碳层，实现内置电场加速电荷传输、垂直纳米通道促进钠离子扩散及碳层抑制结构退化，循环5000次容量保持125 mAh g?1，全电池100次容量196 mAh g?1。

　　

张国新|张立峰|张金|丁娜慧|王磊|赖晓娟

陕西科技大学材料科学与工程学院，中国西安，710021

摘要

同时构建具有快速电荷传输能力的异质结构和表面涂层对于高功率钠离子电池（SIBs）来说仍然是一个重要的挑战。本文创新性地通过微波加速合成方法制备了垂直交联的MnSe/MoSe₂纳米片，并将其封装在N掺杂的碳中（MnSe/MoSe₂@NC），随后进行多巴胺涂层处理、碳化和硒化处理。这种复合材料具有以下特点：（1）MnSe/MoSe₂异质界面处形成的内置电场有助于电荷传输；（2）垂直排列的纳米通道使得Na⁺的扩散速度极快；（3）致密的碳层能够抑制结构退化。作为SIB阳极，MnSe/MoSe₂@NC-550在10 A g^?1的电流下经过5000次循环后仍保持125 mAh g^?1的循环稳定性，并且与Na₃V₂ (PO₄)₃阴极配合使用时，在100次循环后仍能提供196 mAh g^?1的电池性能。这项工作展示了用于先进电池材料的表面/界面双重改性策略。

引言

对可持续能源存储的追求推动了钠离子电池（SIBs）的发展，这主要是由于钠的丰富性和成本效益[1]。然而，目前仍缺乏能够同时实现快速离子传输路径和应变适应性的阳极结构，这主要是由于钠离子的氧化还原反应动力学较慢以及循环过程中电极逐渐粉化的现象[2],[3],[4]。因此，寻找能够解决这两个问题的阳极材料仍然是SIB研究中的一个关键挑战。

过渡金属硒化物（TMSs）因其较高的理论容量、可调的层间距和优异的导电性而成为SIB阳极材料的理想候选材料[5]。特别是MoSe₂的二维（2D）层状结构为Na⁺提供了理想的扩散路径，而MnSe则具有较好的导电性和适度的体积变化[6],[7]。然而，单层MoSe₂由于层间堆叠倾向和半导体特性而表现出较差的倍率性能，而单独使用MnSe的循环寿命也不足[8],[9]。为了解决这些问题，研究人员采用了多种策略，包括异质结构构建（例如SnSe₂/ZnSe@PDA、MoC-MoSe₂、ZnSe/MnSe@C）[10],[11],[12]、形态工程（例如纳米片、空心纳米球、纳米棒）[13],[14],[15]以及碳材料涂层[16],[17],[18]。尽管这些策略取得了一定的成功，但现有的方法仍无法同时满足三个核心要求：（i）原子级别的界面工程以实现加速电荷传输；（ii）合理的纳米结构设计以缩短离子扩散距离；（iii）机械稳定性以防止电极粉化。尽管现有方法在不同方面有所改进，但单一的表面改性或结构设计往往无法从根本上解决电荷传输缓慢和结构稳定性差的问题[19],[20],[21],[22],[23]。因此，实现表面/界面的协同优化以同时提高材料的电荷传输效率、离子扩散能力和循环稳定性已成为当前的重要研究方向[24]。

为了解决这一问题，本文提出了一种双重表面/界面改性策略。通过微波辅助合成方法，结合异质结工程、形态调控和碳涂层技术，制备了MnSe/MoSe₂@NC复合材料。该复合材料具有以下特点：（1）原位生长的MnSe/MoSe₂异质结形成了内置电场，增强了Na⁺的吸附能力和电荷传输效率；（2）由多巴胺制成的均匀碳涂层层不仅作为结构缓冲层减轻了体积变化引起的应力，还构建了连续的导电网络；（3）垂直交联的纳米片形态为Na⁺的快速扩散提供了有效的通道。得益于这种双重表面/界面改性策略，MnSe/MoSe₂@NC作为SIB阳极材料表现出优异的电化学性能和循环稳定性。

结果与讨论

结果与讨论

图1a简要介绍了MnSe/MoSe₂@NC复合材料的制备过程和结构特征。MnMoO₄前驱体通过微波辅助煅烧法制备（见图S1a和图S2a）。随后通过多巴胺涂层和碳化处理形成非晶碳层（见图S1b和图S2b）。在不同的温度下通过硒化转化制备了MnSe/MoSe₂异质结构。进一步的XRD分析证实了其结构（见图1b和图S1c）。

结论

总之，通过控制碳涂层和硒化工艺制备的MnSe/MoSe₂@NC-550异质结构阳极表现出优异的钠存储性能。其独特的结构特征——分散良好的纳米片/纳米颗粒与N掺杂碳的结合，使得材料具有高离子/电子导电性和结构韧性。作为SIB阳极，它在10 A g^?1的电流下经过5000次循环后仍能保持349 mAh g^{?1?1的电流下经过100次循环后仍能保持125 mAh g?1的循环稳定性。}

CRediT作者贡献声明

张国新：撰写原始稿件，数据整理。张立峰：撰写、审稿与编辑，概念构思。张金：数据可视化与分析。丁娜慧：软件支持与数据分析。王磊：资源获取与数据分析。赖晓娟：资源协调与正式数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号21203116）、陕西省自然科学基金（编号2024JC-YBMS-362）、秦创原“科学家与工程师”团队建设项目（编号2024QCY-KXJ-052）、陕西省重点研发计划（编号2024GX-YBXM-393）、陕西省教育厅产业化项目（编号23JC008）以及陕西省高校青年创新团队的支持。