科学材料站
文 章 信 息
TiS2-TiO2异质结构增强界面脱溶剂化效应用于超高倍率水系锌离子电池
第一作者：陈曼琳
通讯作者：周敏*，王康丽*
单位：华中科技大学
科学材料站
研 究 背 景
水性锌离子电池（ZIBs）因其安全性、可持续性和环保性在能源存储和电动汽车领域中展现出巨大潜力。然而，锌离子在水性电解液中倾向与水分子形成水合结构([Zn(H2O)6]2+, 8.6 Å)，导致嵌入/脱出过程中的溶剂共嵌入现象，进而影响了电极材料的反应动力学和循环稳定性。目前，优化电解液成分，减小锌离子与溶剂水分子的相互作用被认为是改善这一现象的有效策略，然而引入新的成分损害了水相介质的安全性和离子电导率。从电极材料的结构调控入手，通过构建富含亲水性功能团的界面以及具有纳米孔的界面，为Zn2+和溶剂水分子的分离提供了作用力，可以加速锌离子的脱溶剂过程。异质结构的内建电场（BIEF）被广泛报道能够促进定向迁移和电荷载流子的分离。构建异质结构涉及两个晶体结构和原子间距相似的纳米晶体。纳米晶体之间的能带结构和费米能级差异导致形成内建电场，电子和空穴在界面重组，为界面电荷转移提供驱动力。当电极与电解质之间的界面存在内建电场时，为荷电的Zn2+和电中性水分子提供分离力，从而促进去溶剂化过程。基于此，本文提出了一种独特的TiS₂-TiO₂异质结构，旨在提高界面脱溶剂过程和体相离子扩散动力学，从而优化电荷存储性能。这种新型结构不仅降低了水合Zn2+的脱溶剂化能垒，还提升了Zn2+的扩散能力，实现了5A g-1电流密度下160.9 mAh g⁻¹的高倍率性能和2000次循环的超长循环寿命，为高倍率“摇椅型”锌离子电池负极的构建提供了新的思路。
科学材料站
文 章 简 介
近日，来自华中科技大学的王康丽教授与周敏副教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Desolvation effect triggered by TiS2‐TiO2heterostructure for ultrahigh‐rate aqueous zinc‐ion batteries”的观点文章。
科学材料站
本 文 要 点
要点一：异质结构表征
本研究通过在不同的合成温度、时间和反应物比例条件下，将商业锐钛矿二氧化钛（TiO2）与二硫化碳（CS2）反应进行原位硫化，成功制备了TiS2-TiO2异质结。这一过程中，CS2能够吸附于TiO2表面，并通过气相阴离子交换过程将氧离子替换为硫离子，形成TiS2相。在不同的热处理条件下，获得了不同的TiS2-TiO2异质结构，样品的形态和微观结构通过透射电子显微镜（TEM）表征，结果显示了异质界面的存在。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）进一步验证了材料的物相信息，表明随着硫化温度的增加，TiO2的含量和结晶性下降。热重分析（TGA）确定了异质结构中两种组分的质量比。最终，研究结果表明， TSO-2异质结构通过调控硫化条件成功获得，有望提升材料的电子和离子传输速率，增强其速率性能和稳定性。
要点二：异质结构促进脱溶剂化过程
异质结构中引入的内建电场通过密度泛函理论（DFT）计算进行理论研究，揭示了TiS2和TiO2之间由于功函数差异而导致的自发电子转移过程。电子迁移导致电子密度在二者表面重新分布，从而形成BIEF。在2M Zn(CF3SO3)2电解液中，DFT计算显示，TiS2-TiO2异质结构可有效降低水合锌离子的脱溶剂化能量，从3.42 eV降至2.97 eV，增强了脱溶剂化能力。电化学石英晶体微天平（EQCM）测量结果表明，TSO-2电极主要通过锌离子插入/提取过程，而TS电极的过程则主要由水合锌离子主导。异质结构的形成促进了脱溶剂化过程，提高电极的动力学性能。
要点三：倍率性能及反应动力学
在2.0 M Zn(CF3SO3)2中对异质结构材料进行电化学测试时，发现TSO-2电极在电流密度为0.1 A g−1时表现出188.3/351.9 mA h g−1的初始充/放电容量。讨论了TiS2-TiO2异质结构电极的优异倍率性能，尤其是TSO-2电极，该电极在电流密度增加时表现出高达187.7 mA h g−1的可逆电荷容量，并在5 A g−1下仍保留85.5%的容量，明显超越了其他电极样品。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，TSO-2的电荷转移电阻（Rct）为40.1Ω，显著低于其他样品，表明界面去溶剂化过程加快，导致较低的电荷转移阻抗，从而提升了倍率性能。此外，GITT测量显示，TSO-2的扩散系数 (D) 在10−9-10−11 cm² s−1之间，远高于其他样品，表明其内部电场的设计促进了离子的快速传输。并且TSO-2电极表现出高赝电容特性，显示出卓越的倍率。高倍率特性与其异质微结构的精细设计有关，该设计促进了快速去溶剂化和快速离子传输，从而提高电极反应动力学。
要点四：循环稳定性及结构稳定性
研究了不同电极在充放电循环过程中的性能，特别是锌离子嵌入/脱出对电极稳定性的影响。在0.1 A g−1的电流密度下， TS电极在360圈充放电循环后显示了83.4 mAh g−1的电荷比容量。相比之下，异质结构电极TSO-2在400个循环后达到了185.0 mAh g−1，表现出极好的可逆性（CE为99%）和98.2%的容量保持率。通过XRD和HRTEM等技术分析了电极在充放电过程中的结构变化，结果显示，TS电极在锌离子的嵌入和脱出过程中出现了显著的晶格膨胀和结构破坏，而TSO-2电极则保持了良好的结构稳定性和较低的晶格膨胀率（0.68%），显示出其卓越的电化学性能。这项研究表明，构建异质界面能够有效改善电极的循环稳定性，促进锌离子脱溶和扩散过程，从而实现长效的循环寿命。
要点五：全电池
为了探讨了TiS2-TiO2异质结构的可行性，组装了以TSO-2为负极和预嵌锌的ZnFeHCF为正极的“摇椅”型全电池。优化的正负极质量比为约2.3:1。电池的放电容量达183.8 mAh g−1，能量密度超过60.8 Wh kg−1，并在0.1 A g−1的电流密度下保持92.5%的容量保持率，1.0 A g−1时仍保持151.2 mAh g−1的容量，且在1000个循环中无显著衰减。这表明异质结结构设计能有效构建具有高电化学可逆性和长循环稳定性的“摇椅”型锌离子全电池。
要点六：结论
成功设计了一种TiS2-TiO2异质结构。界面中的BIEF促进了水合锌离子的脱溶过程，并推动了体相离子的扩散，提高了电化学反应的动力学。此外，无水锌离子的插入有助于减小循环过程中的体积膨胀/收缩。这种TiS2-TiO2电极在0.1 A g−1下实现了高可逆容量187.7 mAh g−1，且在0.5A g-1下具有长达2000次循环的超长稳定性。在5 A g−1下，电极也达到了160.9 mAh g−1的高倍率比容量。我们的研究强调了原子结构控制与功能之间的关系，并为快充能源存储系统的发展提供了指导。
科学材料站
文 章 链 接
Desolvation Effect Triggered by TiS2-TiO2 Heterostructure for Ultrahigh-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414032
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
周敏 华中科技大学电气与电子工程学院副教授，入选华中学者，中国科学技术协会青年人才托举工程。2014年毕业于武汉大学化学与分子科学学院，获博士学位。加入华中科技大学电气与电子工程学院。围绕适应电力系统不同需求的大容量、大功率电化学储能系统的问题，开展绿色高效的储能新体系（钠离子电池，水溶液电池，液态金属电池等）以及廉价清洁的储能材料（活性聚合物以及多孔碳材料）的深入研究。以第一作者或通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials， Advanced Functional Materials， Advanced Science等杂志发表SCI论文40余篇（4篇ESI高被引）,总引用3000余次；发明专授权利10余项；主持国家自然科学基金青年、面上等项目以及国家重点研发计划子课题等。
王康丽 华中科技大学电气与电子工程学院教授、博士生导师。国家优秀青年基金获得者，湖北省百人计划。现担任IEEE PES中国区技术委员会动力电池技术分委会常务理事，SusMat杂志青年编委等。主要从事电化学储能技术和新型能源材料的基础应用研究。主持基金委优青、重点项目和国际合作项目、国网公司科技项目等。迄今在Nature，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.等国际权威学术期刊发表学术论文160余篇；授权专利中国发明专利48项，授权美国发明专利1项；牵头制定标准1项。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看
