Unveiling the Unique Phase Transformation Behavior and Sodiation Kinetics of 1D van der Waals Sb2S3 Anodes for Sodium Ion Batteries

材料科学 范德瓦尔斯力 无定形固体 相(物质) 阳极 离子 纳米棒 化学工程 纳米晶材料 化学物理 纳米技术 结晶学 物理化学 电极 化学 工程类 有机化学 分子
作者
Shanshan Yao,Jiang Cui,Ziheng Lu,Zheng‐Long Xu,Lei Qin,Jiaqiang Huang,Zoya Sadighi,Francesco Ciucci,Jang‐Kyo Kim
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:7 (8) 被引量:162
标识
DOI:10.1002/aenm.201602149
摘要

Carbon‐coated van der Waals stacked Sb 2 S 3 nanorods (SSNR/C) are synthesized by facile hydrothermal growth as anodes for sodium ion batteries (SIBs). The sodiation kinetics and phase evolution behavior of the SSNR/C anode during the first and subsequent cycles are unraveled by coupling in situ transmission electron microscopy analysis with first‐principles calculations. During the first sodiation process, Na + ions intercalate into the Sb 2 S 3 crystals with an ultrafast speed of 146 nm s −1 . The resulting amorphous Na x Sb 2 S 3 intermediate phases undergo sequential conversion and alloying reactions to form crystalline Na 2 S, Na 3 Sb, and minor metallic Sb. Upon desodiation, Na + ions extract from the nanocrystalline phases to leave behind the fully desodiated Sb 2 S 3 in an amorphous state. Such unique phase evolution behavior gives rise to superb electrochemical performance and leads to an unexpectedly small volume expansion of ≈54%. The first‐principles calculations reveal distinctive phase evolution arising from the synergy between the extremely low Na + ion diffusion barrier of 190 meV and the sharply increased electronic conductivity upon the formation of amorphous Na x Sb 2 S 3 intermediate phases. These findings highlight an anomalous Na + ion storage mechanism and shed new light on the development of high performance SIB anodes based on van der Waals crystals.

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