DOI: 10.1016/j.ensm.2022.09.015

金属钠具有成本低、容量大等优点，是下一代高能量密度钠金属电池最有前景的负极材料。然而，不均匀的Na成核、随后的枝晶生长和巨大的体积变化阻碍了其进一步应用。在此，本研究设计了一种由N掺杂碳纳米纤维（NCF）和MoS2组成的3D框架作为钠沉积的基底。具有强亲钠性的2H-MoS2和N-官能团有助于Na+的吸附和Na成核能的降低。由于2H-MoS2和吡啶N-官能团的低成核势垒，高负载Na可以均匀地沉积在MoS2/NCF骨架的表面。循环后，Na扩散将由1T-MoS2表面上的Na迁移控制，而对能垒的要求要低得多（-0.291eV）。超亲钠性和最终吸附的协同作用使得8mA/cm2下的钠剥离/电镀循环持续了3000多次，库仑效率为99.6%（在2mA/cm2下循环8000次）。对称的MoS2@NCF/Na电池表现出优异的循环稳定性、稳定的滞后电压（在6mA/cm2和3mAh/cm2下循环3000次后为30.0mV）和良好的倍率性能（在20mA/cm2时的低过电位为120mV）。鉴于上述优点，MoS2@NCF/Na||NVP@C全电池在循环和倍率性能（30C时为75mAh/g）方面得到了很大的改善。总体而言，这项工作为先进的高性能钠金属电池开发了一种以稳定钠沉积为基础的有效策略。

图1.（a）MoS2@NCF和MoS2@NCF/Na的合成过程示意图。（b）MoS2@NCF的SEM、（c）TEM、（d）HRTEM和（e）元素映射图像。图1c中插入的是高分辨率TEM图像。图1d中插入的HRTEM图像显示了1T MoS2的层间距。（f）MoS2@NCF和MoS2@NCF/Na的XRD光谱。（g）MoS2@NCF和NCF的拉曼光谱。（h）Mo3d XPS光谱。（i）S2p XPS光谱。

图2.通过不同钠化状态下的顶部和横截面SEM图像以及照片（插图）对不同负极进行表征。a）（1-4）Cu/Na电极，单位面积Na容量为4mAh/cm2。b）（1-4）NCF/Na电极，面积容量为4mAh/cm2。c）（1-4）MoS2@NCF/Na电极，面积容量为4mAh/cm2。（d）MoS2@NCF/Na的横截面SEM和映射图像。

图3.DFT仿真过程中应用的结构模型。单个Na原子在（a）2H-MoS2、（b）1T-MoS2和（c）PnN基团上的吸附能。分子动力学模拟后Na原子吸附在（d）2H-MoS2、（e）1T-MoS2和（f）NCF上的最终结构。

图4.MoS2@NCF中（a）C1s和（b）O1s的高分辨率XPS光谱。（c）MoS2@NCF和MoS2@NCF/Na的XPS光谱。MoS2@NCF/Na中（d）C1s、（e）O1s、（f）F1s和（g）Na1s区域的高分辨率XPS光谱。NCF/Na中（h）C1s、（i）O1s、（j）F1s和（k）Na1s区域的高分辨率XPS光谱。

图5.（a）当电流密度为0.25mA/cm2时不同电极上钠镀层的电压曲线。（b）MoS2@NCF在不同电流密度（0.5、1、2、4和10mA/cm2）下的钠镀层电压曲线。（c）不同电流密度下不同电极上钠的电压滞后曲线。（d）不同钠金属电极在4mA/cm2和2mAh/cm2下的库仑效率。（e）MoS2@NCF的相应恒电流放电-充电曲线。（f）在8mA/cm2和4mAh/cm2下，在MoS2@NCF上镀/脱钠的库仑效率。

图6.对称电池的电化学性能。（a）和（b）不同电极在2和4mA/cm2下的恒电流剥离/电镀曲线。（c）Cu/Na、NCF/Na和MoS2@NCF/Na电极在50个循环前后的奈奎斯特图。（d）NCF/Na和MoS2@NCF/Na的倍率性能。（e）MoS2@NCF/Na在6mA/cm2和3mAh/cm2下的恒电流剥离/电镀曲线。

图7.（a）MoS2@NCF/Na||NVP@C全电池示意图。（b）1C下的循环性能。（c）在0.1至30C范围内测得的倍率性能。（d）MoS2@NCF/Na||NVP@C全电池在不同充放电速率下的恒电流充放电曲线。（e）MoS2@NCF/Na||NVP@C全电池在3C下的循环性能。