1307-96-6 / Small：可控硫摻雜制備等級氧化鈷（II）鋰離子電池負極材料

近年來，過渡金屬氧化物（氧化鎳、氧化鐵、氧化釩等）在納米儲能領域研究廣泛。用作鋰離子負極材料時，過渡金屬氧化物具有較高的理論容量、較低的成本。其中，氧化鈷作為一種廣泛研究的負極材料，通過轉化反應進行鋰離子存儲，具有遠高于商用石墨負極的理論容量（714 mAh/g vs. 372 mAh/g）。然而，氧化鈷較低的電導率容易導致電極極化，并且在充放電過程中會產生巨大的體積膨脹。這些固有的缺點嚴重制約了氧化鈷在鋰離子電池中的實際應用。

針對以上問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所王家成研究員和馬汝廣副研究員等采用可控硫化方法，對石墨烯（G）包覆的氧化鈷納米顆粒進行摻雜，得到了具有優異儲鋰性能的CoOS0.1@G負極材料。相關結果發表在Small（DOI:10.1002/smll.202003643）上。硫摻雜的氧化鈷納米顆粒由小顆粒堆積成球形，且硫原子進入氧化鈷的晶格取代氧原子，而外部被石墨烯包裹。該結構在增加體系導電性的同時，有利于抑制電極材料在充放電過程中的體積膨脹。而且，長期循環過程中電極析出的硫會被牢牢吸附在石墨烯上，避免了多硫化物穿梭效應。以上特點均證明了材料在結構設計上的優勢。作為鋰離子電池負極材料，CoOS0.1@G 表現出優異的循環穩定性（0.5 A/g 電流密度下循環400圈后仍保持1573 mAh/g 的比容量）和出色的倍率性能（在5 A/g 的電流密度下仍保持627 mAh/g 的比容量）。該工作進一步采用密度泛函理論（DFT）、有限元模擬（FEA）和鋰離子遷移動力學分析系統研究了CoOS0.1@G電極在充放電過程中的電化學行為，證明了硫化摻雜后氧化鈷具有更快的鋰離子遷移速率，更高的贗電容貢獻量和更穩定的電極結構。這種調控電極材料組分和電子結構的改性策略為鋰離子電池負極材料的進一步發展提供了新思路。