近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、田瑞源副教授与材料科学与工程学院曾毅教授等人在钠离子电池高熵硫化物负极研究方面取得新进展。研究成果以“Entropy-Change Driven Highly Reversible Sodium Storage for Conversion-Type Sulfide”为题，于2022年08月28日在线发表在《先进功能材料》。
由于丰富的资源储备与低廉的成本，钠离子电池在规模储能等领域备受关注。而传统的过渡金属硫化物具有丰富的氧化-还原中心、高的电子电导率和理论容量，已发展成为钠离子电池最具应用前景的负极材料之一。然而其发展受限于反应可逆性差和循环稳定性不足等问题。一方面，在充放电过程中，由于M0/Na2S界面的不稳定，M0纳米颗粒容易粗化长大，加剧了电化学惰性的Na2S富集，导致转化反应的不可逆性增加；另一方面，反复的体积膨胀与收缩引起颗粒内部机械应力的不断累积，导致电极及SEI膜持续破裂，最终导致电池容量的衰减。然而，到目前为止，转化类负极材料在循环过程中出现的结构退化与惰性颗粒聚集的问题仍未得到有效解决，极大地阻碍了该类材料在钠离子电池中的应用。
本工作通过引入“高熵”的策略，设计了新型高熵硫化物Cu4MnFeSnGeS8，实现对转化类负极材料的反应可逆性以及循环稳定性的全面改善。研究表明：高熵材料多组分均匀分布的特性，有效抑制了反应过程中出现的相分离与纳米颗粒聚集现象，从而在循环过程中保持稳定的M0/Na2S界面，提升反应的可逆性；同时，高度可逆的相转变与高的力学稳定性，也有效缓解反应过程中的体积膨胀与累积的机械应力，从而维持电极的完整性并构筑稳定的SEI膜，提升电池循环稳定性。最后，其与Na3V2(PO4)3正极组装的全电池，展示出264 Wh kg-1的能量密度，具备在大规模储能方面的应用前景。并且，“高熵”的策略打破了传统的碳包覆和纳米化方法改善转化类负极材料电化学性能的桎梏，为高性能电化学储能材料的设计拓展了新的思路。
物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室赵静为本文的第一作者。本文通讯作者为物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、田瑞源副教授和材料科学与工程学院曾毅教授。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省科技发展计划项目和中央高校基本科研专项资金的支持。
谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞！
论文全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202206531
