ACS Nano：M/Se (M = Fe, Co, Ni) 掺杂NbS2纳米片存储Li+ 和Na+

【引言】

锂离子电池和钠离子电池由于其高能量密度、长耐久性，无记忆效应而备受关注，被视为最有前途的便携式电子设备、电动汽车能量来源。然而，为进一步推广其实际应用，增强能量密度，耐久性和安全性仍具有重要意义。因此，越来越多的研究致力于探索大容量、快速充电、耐用性强的新电极材料。NbS₂有较高的理论容量（683 mAh g⁻¹）和电导率，是锂离子电池、钠离子电池电极材料的有力候选者。此外，其良好的层状晶体结构允许使用灵活的方法制备二维纳米结构和集成到各种应用中。同时，掺杂其他金属可提高NbS₂的电导率。

【成果简介】

近日，南京理工大学的朱俊武和南洋理工大学材料系颜清宇教授等人在ACS Nano上发表了题为“NbS₂Nanosheets with M/Se (M = Fe, Co, Ni) Codopants for Li⁺and Na⁺Storage”的文章，报道了利用油相合成法制备过渡金属与Se共掺杂的二维均匀的NbS₂纳米片，可通过调控过渡金属与Se含量改善M_xNb_1−xS_2−ySe_y的形貌，并探究了其电化学性能以及NbS₂储锂机理。

【图文导读】

图1.NbS₂的XRD及SEM图像

(a) 不同掺杂含量的NbS₂XRD图谱

(b) NbS₂类似花朵的SEM图像

(c) NbS_1.6Se_0.4纳米片的SEM图像

(d) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的SEM图像

图2. Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的性能表征

(a) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的TEM图像及SAED图像

(b) (a)图的放大

(c) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的HRTEM图像

(d,e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片Mapping图像

(f) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4中Nb 3d和Fe 2d的XPS分析

图3 锂电池电化学性能测试

(a) NbS_1.6Se_0.4纳米片的CV曲线

(b) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的CV曲线

(c) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的充放电曲线

(d) NbS₂, NbS_1.6Se_0.4, Fe_0.3Nb_0.7S₂,Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4高倍率充放电曲线

(e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的循环稳定性

(f) NbS₂, NbS_1.6Se_0.4, Fe_0.3Nb_0.7S₂,Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4的阻抗曲线

图4 电学性能以及反应机理

(a)第三次循环放电至0.005V后得到立方相Li₂S

(b)第三次循环充电到0.005V后得到的电极显微图片

(c) 第三次循环充电到3V后得到的电极显微图片

(d) 纯相NbS₂放电过程中转化反应机理示意图

(e) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片在锂电池中不同扫描速率下的CV曲线

(f) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4和NbS_1.6Se_0.4纳米片中不同的b值

(g) Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4和NbS_1.6Se_0.4纳米片在1 mV s⁻¹下的电容贡献

(h) 不同扫描速率下Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4和NbS_1.6Se_0.4纳米片电容的贡献比较。

图5 钠电池电化学性能测试

(a)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片前五次循环的CV曲线

(b)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片前五次充放电曲线

(c)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的循环比容量

(d)Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的循环稳定性及EIS图谱

【小结】

作者通过油相合成法成功制备了过渡金属和硒掺杂NbS₂纳米片。通过调整金属盐和硒的添加量，可以调控纳米片的形貌。Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的横向尺寸1−2μm，厚度约5 nm，达到最佳的锂离子和钠离子存储性能。对于锂离子电池，第五次循环比容量在0.1 Ag⁻¹条件下高达808.5 mAh g⁻¹，在10Ag⁻¹条件下达461.3 mAh g⁻¹。循环3000次后在5Ag⁻¹条件下达444 mAh g⁻¹比容量。此外，对于Na存储的Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片表现出了第五次循环比容量在5 Ag⁻¹条件下高达136mAh g⁻¹，循环750次后在1Ag⁻¹条件下达260 mAh g⁻¹比容量。经处理后的HRTEM分析证实了NbS₂储锂机理。Fe_0.3Nb_0.7S_1.6Se_0.4纳米片的高倍率性能通过定量电容分析进一步解释。

文献链接：NbS₂Nanosheets with M/Se (M = Fe, Co, Ni) Codopants for Li+ and Na+ Storage（ACS Nano,2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b06133）

本文由材料人编辑部 韩百川 编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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