北理工團隊在鈉硫電池高效硫載體研究中取得重要進展

近日，北京理工大學機電學院張建國教授團隊在國際頂級期刊《Nano-Micro Letters》(影響因子36.300)發表題為《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“誘導同質結”概念，通過鐵摻雜和鉬空位的協同設計構建了三明治型的p-n碳化鉬同質結，相鄰碳化鉬結構的p和n型導電特性促使電子/空穴快速穿過界面，從而賦予反應位點高活性，促進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，自發地建立雙向的內在電場進而驅動離子/電子的高速運輸，最終實現高深度的充放電過程和快速的轉化反應動力學過程，表現極好的快充性能。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機電學院2022級博士生高艷君。

可靠的能源對現代社會的發展至關重要。高能電子設備的需求呈指數型增長，大大地推動了先進的可充電電池的開發。與地質稀缺的鋰資源相比，鈉的天然豐富性確保了其可持續的供應，室溫鈉硫電池(RT Na-S)通過使用價格低廉且環保的硫作為活性材料，進一步降低了電極材料的成本并克服了關鍵材料稀缺的瓶頸；此外，其理論比容量高達1675 mAh g-1，具有超高的比能量密度(1274 Wh kg-1)且無毒。然而，硫正極存在電子導電性差的缺陷，在循環過程中表現巨大的體積變化；多硫化(NaPSs)在電解質中的溶解和嚴重的穿梭效應導致活性物質向負極擴散；其緩慢的轉化反應動力學導致硫的利用率低下和差的循環穩定性。

為此，本工作進行了硫正極的設計，提出了一種新穎的“鐵摻雜和Mo空位協同植入誘導同質結”的概念，構建了三明治型的p-n碳化鉬同質結，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，相鄰晶體結構導電特征的差異(p和n型)促使電子/空穴自發地運輸穿過界面，從而賦予反應位點高活性，增強了對多硫化物的固定能力，顯著抑制穿梭效應的同時促進S-S鍵的斷裂，另外，電荷的積累導致了內在電場的構建，進而驅動離子/電子的高速遷移，加速了轉化反應動力學并表現極好的快充性能，為提高硫宿主的催化活性提供了新的見解。

要點一：提出“誘導同質結”的概念，深入探究“同質結”的形成機制

通過鐵摻雜和鉬空位的協同引入誘導了三明治型的p-n碳化鉬同質結的形成，明確了同質結的構建和鐵摻雜/鉬空位策略的因果關系。其中摻雜位點和陽離子空位各自的調控導致相鄰碳化鉬晶體結構的能帶結構發生異質性的變化，分別呈現n型和p型特性。在同一種Mo2C材料中，這種不對稱的能帶結構促使電子/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，最終誘導了高活性同質結界面的形成。本文結合電化學測試和物化表征，確定了導帶/價帶及費米能級的位置，為“同質結”的形成機理提供了深入的見解。

要點二：靈活調控鐵摻雜和Mo空位的相對比例，最大化同質結的作用

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，兩者呈現反向的變化，進而優化其相對比例，擴大同質結界面的豐度和作用范圍，最大程度地發揮同質結的效應，促進表面電荷的再分布和快速的電子/離子運輸。

要點三：關聯同質結和鈉硫電池的儲能過程，闡述其電化學性能的改善機理

高活性p-n同質結的形成有利于載流子在界面處的快速傳輸，賦予反應位點高活性并促使對多硫化物的有效結合和原始S-S鍵的斷裂，被認為是抑制穿梭效應和觸發轉化反應的關鍵步驟。同時，在能帶對齊的過程中，由于電荷的積累導致較大范圍的內在電場的形成，作為額外的驅動力加速離子和電子的傳輸，確保它們能夠及時地到達上述高活性位點并進行充分的反應，從而實現超快的轉化動力學過程。本工作提出的“誘導同質結”概念和相應機理的闡述對高效電催化劑的設計具有重要的指導意義，極大地助力了鈉硫電池的高速發展。

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