北理工團(tuán)隊在鈉硫電池高效硫載體研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2026-03-30 供稿：機(jī)電學(xué)院 攝影：機(jī)電學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院張建國教授團(tuán)隊在國際頂級期刊《Nano-Micro Letters》(影響因子36.300)發(fā)表題為《Pisiform Homojunction with Energy Band Bending Induced via Co-Implantation Design Enabling Fast-Charging Sodium-Sulfur Battery》的研究性文章(DOI: 10.1007/S40820-026-02163-2)。文章提出了一種新穎的“誘導(dǎo)同質(zhì)結(jié)”概念，通過鐵摻雜和鉬空位的協(xié)同設(shè)計構(gòu)建了三明治型的p-n碳化鉬同質(zhì)結(jié)，相鄰碳化鉬結(jié)構(gòu)的p和n型導(dǎo)電特性促使電子/空穴快速穿過界面，從而賦予反應(yīng)位點高活性，促進(jìn)多硫化物的捕獲及原始的S-S鍵的斷裂；伴隨著能帶彎曲過程，自發(fā)地建立雙向的內(nèi)在電場進(jìn)而驅(qū)動離子/電子的高速運輸，最終實現(xiàn)高深度的充放電過程和快速的轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)過程，表現(xiàn)極好的快充性能。通訊作者為張建國教授、于琪瑤副教授，第一作者為北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2022級博士生高艷君。
可靠的能源對現(xiàn)代社會的發(fā)展至關(guān)重要。高能電子設(shè)備的需求呈指數(shù)型增長，大大地推動了先進(jìn)的可充電電池的開發(fā)。與地質(zhì)稀缺的鋰資源相比，鈉的天然豐富性確保了其可持續(xù)的供應(yīng)，室溫鈉硫電池(RT Na-S)通過使用價格低廉且環(huán)保的硫作為活性材料，進(jìn)一步降低了電極材料的成本并克服了關(guān)鍵材料稀缺的瓶頸；此外，其理論比容量高達(dá)1675 mAh g-1，具有超高的比能量密度(1274 Wh kg-1)且無毒。然而，硫正極存在電子導(dǎo)電性差的缺陷，在循環(huán)過程中表現(xiàn)巨大的體積變化；多硫化(NaPSs)在電解質(zhì)中的溶解和嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致活性物質(zhì)向負(fù)極擴(kuò)散；其緩慢的轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)導(dǎo)致硫的利用率低下和差的循環(huán)穩(wěn)定性。
為此，本工作進(jìn)行了硫正極的設(shè)計，提出了一種新穎的“鐵摻雜和Mo空位協(xié)同植入誘導(dǎo)同質(zhì)結(jié)”的概念，構(gòu)建了三明治型的p-n碳化鉬同質(zhì)結(jié)，并將其分布在氮摻雜碳納米球上，作為Na-S電池的高效硫載體。在同一種材料(碳化鉬)中，相鄰晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)電特征的差異(p和n型)促使電子/空穴自發(fā)地運輸穿過界面，從而賦予反應(yīng)位點高活性，增強(qiáng)了對多硫化物的固定能力，顯著抑制穿梭效應(yīng)的同時促進(jìn)S-S鍵的斷裂，另外，電荷的積累導(dǎo)致了內(nèi)在電場的構(gòu)建，進(jìn)而驅(qū)動離子/電子的高速遷移，加速了轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)并表現(xiàn)極好的快充性能，為提高硫宿主的催化活性提供了新的見解。
要點一：提出“誘導(dǎo)同質(zhì)結(jié)”的概念，深入探究“同質(zhì)結(jié)”的形成機(jī)制
通過鐵摻雜和鉬空位的協(xié)同引入誘導(dǎo)了三明治型的p-n碳化鉬同質(zhì)結(jié)的形成，明確了同質(zhì)結(jié)的構(gòu)建和鐵摻雜/鉬空位策略的因果關(guān)系。其中摻雜位點和陽離子空位各自的調(diào)控導(dǎo)致相鄰碳化鉬晶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生異質(zhì)性的變化，分別呈現(xiàn)n型和p型特性。在同一種Mo2C材料中，這種不對稱的能帶結(jié)構(gòu)促使電子/空穴定向地遷移，直至費米能級持平而終止，伴隨著能帶彎曲的過程，最終誘導(dǎo)了高活性同質(zhì)結(jié)界面的形成。本文結(jié)合電化學(xué)測試和物化表征，確定了導(dǎo)帶/價帶及費米能級的位置，為“同質(zhì)結(jié)”的形成機(jī)理提供了深入的見解。
要點二：靈活調(diào)控鐵摻雜和Mo空位的相對比例，最大化同質(zhì)結(jié)的作用
采用了一種簡單的酸刻蝕工藝來改變摻雜金屬量和鉬空位的密度，隨著刻蝕程度的加大，兩者呈現(xiàn)反向的變化，進(jìn)而優(yōu)化其相對比例，擴(kuò)大同質(zhì)結(jié)界面的豐度和作用范圍，最大程度地發(fā)揮同質(zhì)結(jié)的效應(yīng)，促進(jìn)表面電荷的再分布和快速的電子/離子運輸。
要點三：關(guān)聯(lián)同質(zhì)結(jié)和鈉硫電池的儲能過程，闡述其電化學(xué)性能的改善機(jī)理
高活性p-n同質(zhì)結(jié)的形成有利于載流子在界面處的快速傳輸，賦予反應(yīng)位點高活性并促使對多硫化物的有效結(jié)合和原始S-S鍵的斷裂，被認(rèn)為是抑制穿梭效應(yīng)和觸發(fā)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。同時，在能帶對齊的過程中，由于電荷的積累導(dǎo)致較大范圍的內(nèi)在電場的形成，作為額外的驅(qū)動力加速離子和電子的傳輸，確保它們能夠及時地到達(dá)上述高活性位點并進(jìn)行充分的反應(yīng)，從而實現(xiàn)超快的轉(zhuǎn)化動力學(xué)過程。本工作提出的“誘導(dǎo)同質(zhì)結(jié)”概念和相應(yīng)機(jī)理的闡述對高效電催化劑的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義，極大地助力了鈉硫電池的高速發(fā)展。
文章鏈接
Pisiform Homojunction with Energy Band Bending Induced via Co-Implantation Design Enabling Fast-Charging Sodium-Sulfur Battery
https://doi.org/10.1007/S40820-026-02163-2
附通訊作者簡介：
張建國，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向為特種能源材料與含能器件。主持完成國家重大專項課題、國家自然科學(xué)基金等項目20余項，發(fā)表論文300余篇，出版專著1部、譯著3部，授權(quán)發(fā)明專利65項，獲省部級科技二等獎、三等獎各2項。獲北京市教學(xué)名師獎，國家教學(xué)成果二等獎，北京市教學(xué)成果特等獎、一等獎、二等獎各1項。兼任中國兵工學(xué)會火工煙火專委會副主任委員、火炸藥專委會委員，中國化學(xué)會熱分析專委會、高壓化學(xué)專委會委員。擔(dān)任Central European Journal of Energetic Materials、Defence Technology、含能材料、火炸藥學(xué)報、火工品等期刊編委。
于琪瑤，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。近年來圍繞特種電源電極材料的可控制備、電子/離子界面和活性材料體相傳質(zhì)規(guī)律、離子嵌入脫嵌過程電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、柔性電極制造的材料、結(jié)構(gòu)、能量一體化泛在集能科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，取得了若干原創(chuàng)性成果，迄今已在國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文98篇，8篇ESI高被引論文，其中以第一/通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文73篇。
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