具有优异循环性能的多功能钴异质结构-石墨复合阳极，适用于锂/钠离子储能

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Multifunctional cobalt heterostructure-graphite hybrid anode with superior cyclability for Li/Na-ion storage

该研究成功制备了Co3Sn2S2/Co9S8/Co异质结构复合负极材料（CSS-3/G-15%），通过真空热处理与石墨复合有效缓解体积膨胀并增强离子传输，在锂离子电池中实现250次循环后483.1 mA h/g和1000次循环后529.2 mA h/g的高容量保持，钠离子电池中500次循环后181.7 mA h/g的稳定性能。

　　随着全球科技的快速发展，电池技术作为能源存储与利用的核心，正经历着前所未有的变革。特别是在电动汽车、可再生能源存储和智能电子设备等领域，对高能量密度、长循环寿命以及良好环境兼容性的电池需求日益增长。锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）作为当前最重要的碱金属离子电池技术，因其在能量密度、循环稳定性以及可持续性方面的显著优势，成为研究的重点。然而，传统电池材料在性能和稳定性方面仍面临诸多挑战，尤其是在高倍率充放电条件下，其容量衰减和结构劣化问题尤为突出。因此，开发具有高容量和长循环稳定性的新型电池材料，成为推动LIBs和SIBs技术进步的关键。

在这一背景下，研究者们开始关注硫化物基负极材料的应用。这类材料以其高比容量和良好的循环稳定性而著称，被认为是下一代电池负极材料的重要候选之一。硫化物基材料能够通过转换反应和合金/脱合金反应，实现对碱金属离子的可逆存储，从而展现出优异的理论容量和化学稳定性。然而，这类材料在实际应用中也存在一定的问题，例如在充放电过程中容易发生显著的体积变化，这可能导致电极结构的破坏，进而影响电池的整体性能。因此，如何有效解决硫化物材料的体积膨胀问题，成为研究的重点。

为了应对这一挑战，研究者们提出了多种策略，包括减少硫化物颗粒的尺寸、将其与柔性材料结合，以及优化充放电截止电压等。这些方法可以有效缓解体积变化带来的负面影响，提高材料的循环稳定性。此外，引入异金属原子、直接混合硫化物材料，或通过金属掺杂的方式，可以促进材料中形成丰富的相界面和细小的晶粒，从而增强其导电性并加速电子传输。这些结构上的优化不仅有助于提高材料的导电性能，还能增强其赝电容效应，进一步提升电池的比容量。

以Co?Sn?S?/Co?S?/Co（CSS-3）异质结构为例，研究者通过真空热处理工艺将其成功合成，并进一步与石墨结合，形成了CSS-3/G-15%复合负极材料，适用于LIBs和SIBs。该复合材料具有均匀的纳米异质结构，能够有效缓解体积膨胀，促进电解液的渗透，并增强离子和电子的传输能力。石墨的引入不仅防止了纳米颗粒的聚集，还提升了材料的导电性，并提供了保护性缓冲层，以防止材料在循环过程中的降解。这种结构设计在LIBs中表现出优异的性能，其比容量在250次循环后达到483.1 mA h g?1，在1000次循环后仍保持在529.2 mA h g?1。在不同的电流密度下，该材料的比容量也表现出良好的保持性，从0.1 A g?1下的564.1 mA h g?1到10 A g?1下的152.6 mA h g?1。

在SIBs中，CSS-3/G-15%负极材料同样展现出良好的稳定性。在500次循环后，其比容量仍能保持在181.7 mA h g?1。这一结果表明，CSS-3/G-15%不仅适用于LIBs，也具有良好的应用前景。通过这种异质结构的设计，研究者不仅提高了材料的比容量，还增强了其循环稳定性，为LIBs和SIBs的负极材料设计提供了新的思路。

CSS-3异质结构的构建和碳涂层的结合，被认为是提升硫化物基负极材料性能的有效策略。这种结构不仅能够促进离子和电子的高效传输，还能增强材料的导电性，从而显著提高其电化学性能。此外，碳涂层的引入有助于提升材料的结构稳定性，使其在循环过程中不易发生破坏，从而延长电池的使用寿命。在LIBs和SIBs中，这种结构设计展现出了良好的应用效果，为未来电池技术的发展提供了重要的技术支持。

在具体的研究过程中，研究者们通过密度泛函理论（DFT）计算，分析了Co与SnS?之间的反应过程，并确定了相应的吉布斯自由能（ΔG）值。这些计算结果表明，通过调整Co与SnS?的摩尔比例，可以驱动反应自发进行，从而形成多种Co-Sn-S合金和化合物。这种结构的优化不仅有助于提高材料的导电性，还能增强其赝电容效应，进一步提升电池的比容量。此外，实验结果也表明，CSS-3/G-15%复合材料在充放电过程中表现出良好的结构稳定性，这为其在实际应用中的可行性提供了有力支持。

综上所述，CSS-3/G-15%复合材料的开发，不仅为LIBs和SIBs提供了高性能的负极材料，还为未来电池技术的发展提供了新的方向。通过异质结构的设计和碳涂层的结合，研究者成功解决了硫化物材料在循环过程中面临的体积膨胀问题，显著提高了其比容量和循环稳定性。这一研究结果不仅拓展了硫化物基材料的应用范围，还为高能量密度电池的开发提供了重要的理论和技术支持。随着研究的深入和技术的进步，这类材料有望在未来成为主流的电池负极材料，推动新能源技术的进一步发展。