中南大学：石墨烯助力增强快速储钠性能

文章来源：材料科学与工程

导读：本文通过构建GeS与石墨烯之间的异质结结构，大大提高了材料的储钠性能。基于能带理论，对不同界面结构与倍率性能之间的关系进行了深入分析，加深了人们对活性材料与炭材料之间的异质结结构的认识，为后续的电极材料的研究设计提供了理论指导。

钠离子电池（SIBs）凭借更低的成本，俨然成为最有希望替代锂离子电池的新型储能设备。但是钠离子电池同样也在电极材料方面陷入了瓶颈，如何更高效的释放电极材料的潜力已成为SIBs走向商业化应用的关键问题。

近日，中南大学的张佳峰教授及其团队基于能带理论，对于活性物质与炭材料之间的分层诱导结构进行了深入探索，证明金属与炭之间的键对材料良好储钠性能的关键作用。相关论文以题为“Enhancing the Rapid Na+-Storage Performance via Electron/Ion Bridges through GeS2/Graphene Heterojunction”在 ACS nano上发表。

不同于其他通过设计新型材料或电池系统获取高能量密度的方法，SIBs目前急需最大限度的开发电极材料的潜力。自1960年费米阐明界面/表面对材料性能的巨大影响，界面效应一直被认为是提升材料性能的有效手段。目前电池材料中关于界面已经有不少学者进行了研究，但主要集中于活性材料与基体界面上的电导率研究，界面上更深层次的电子/离子之间的相互作用还缺乏进一步的研究开发。因此，全面了解界面上的储能机理仍然是碱金属电池尤其是SIBs迫切需要解决的问题。

本文作者针对这一问题，以GeS2和石墨烯作为研究对象，对GeS2/C复合相、C-S键和C-Ge键三种接触模式与无功电势和极化电势之间的关系进行了分析讨论。并依此设计出了多级的GeS2/3DG复合材料，GeS2纳米颗粒均匀的被石墨烯均匀的包覆。在界面上精心设计的C-Ge键所形成的GeS2/石墨烯异质结结构，可以通过减少电子聚集极化很好的提升电子转移效率。此外，石墨烯中的缺陷可以减轻离子浓度引起的极化，为钠离子输送提供额外的离子通道。这些效应最终导致所制备的GeS2/3DG电极的储钠性能远高于单纯GeS2/rGO复合材料。

图1 GeS2/C复合相、C-S键和C-Ge键三种模型在SIBs中的电子/离子转移示意图

图2 GeS2/3DG的制备示意图和电镜表征分析

图3 样品的结构和化学状态分析

图4 样品的反应动力学分析和赝电容贡献比例计算

图5 充放电过程中的结构变化表征

图6 样品储钠性能测试

总的来说，作者发现石墨烯不仅仅是以C-Ge键作为活性位点，还为GeS2提供了一个额外的离子传输通道。而C-Ge键的电子转移效率的提高同样不同于掺杂，而是通过降低极化效应获得。上述结果均表明，石墨烯缺陷在电极材料中的作用需要重新评估和进一步研究。该研究加深了电极材料上异质结结构的研究，为更好的挖掘电极材料的潜力提供了新的思路。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06371