近日，福建师范大学陈育明教授团队在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Coupling Lattice Strain and Sulfur Vacancy in Tin Monosulfide/Reduced Graphene Oxide Composite for High-Performance Sodium-Ion Storage”的研究型论文。
亮点
1.通过耦合晶格应变与硫空位缺陷，协同优化SnS/rGO复合材料的电子结构和钠离子吸附能力，显著提升钠存储性能。材料在1 A g⁻¹电流密度下展现出511.82 mAh g⁻¹的高可逆容量，3 A g⁻¹下仍保持450.60 mAh g⁻¹的优异倍率性能，循环稳定性（150次后容量保持率85.5%）远超同类材料。
2.通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了晶格应变与缺陷对钠吸附能和电荷转移的协同增强机制，为材料设计提供了理论支撑。
研究背景
锂离子电池因锂资源储量有限、开采成本高昂，难以满足大规模储能需求。作为替代方案，钠离子电池（SIBs）凭借钠资源丰富、成本低廉等优势，成为规模化储能的研究焦点。然而，钠离子半径（1.02 Å）显著大于锂离子（0.76 Å），导致其嵌入/脱出过程中动力学缓慢、体积膨胀剧烈，引发电极材料结构坍塌与容量衰减。开发兼具高容量、高稳定性和快速离子传输特性的负极材料，是推动SIBs实用化的关键挑战。
锡基材料（如SnS）因其高理论容量和类石墨烯层状结构，成为SIBs负极的理想候选材料。然而，SnS在钠化/脱钠过程中会发生显著体积变化，导致电极粉化与容量快速衰减。通过构建SnS/碳基复合材料（如碳布、石墨烯）可部分缓解体积膨胀并提升导电性，但简单的物理复合难以实现高倍率性能与长循环稳定性的协同优化。
近年研究表明，通过缺陷工程（如硫空位）可调控材料表面热力学与动力学行为：缺陷位点能降低钠离子迁移能垒，促进近表面赝电容存储行为，从而提升倍率性能。同时，界面应变工程（如晶格失配诱导的应力）可优化二维材料的电子结构，增强电荷转移效率与氧化还原活性。然而，单独引入缺陷或施加应变对材料性能的提升效果有限，如何通过同时调控晶格应变与硫空位缺陷，实现两者对钠离子存储能力的联合优化，仍缺乏系统性研究。
基于上述挑战，本研究提出晶格应变与硫空位缺陷协同调控策略，通过设计SnS/rGO复合材料的晶格应变和硫空位缺陷，优化钠离子吸附能力与电子传输路径。实验结果表明，该策略使材料在1 A g⁻¹电流密度下初始可逆容量达589.30 mAh g⁻¹，循环150次后容量仍保持511.82 mAh g⁻¹（循环衰减率仅0.1%/次）。此外，基于该负极与Na₃V₂(PO₄)₃正极组装的全电池，在1 A g⁻¹下循环120次后容量为293 mAh g⁻¹。本研究通过耦合晶格应变与硫空位缺陷效应，展示了一种实现稳定、快速钠离子存储的有效策略。
文章简读
福建师范大学陈育明教授团队采用硫化-煅烧两步法合成具有晶格应变和硫空位的SnS/rGO复合材料（sd-SnS/rGO）。首先，将SnCl₂与氧化石墨烯（GO）混合并冷冻干燥，随后在氮气中硫化生成SnS₂/rGO前驱体，引入硫空位；进一步在CO₂气氛下高温煅烧，通过SnS与rGO的晶格失配产生界面应力。结构表征显示，SnS纳米颗粒（<50 nm）均匀分散于rGO表面，界面处存在显著晶格畸变（TEM分析，图2），拉曼光谱和电子顺磁共振（EPR）证实CO₂煅烧大幅提升硫空位浓度（图3c-d）。电化学测试表明，sd-SnS/rGO电极在1 A g⁻¹下循环150次后容量保持511.82 mAh g⁻¹，赝电容贡献占比达79%，表明其储钠机制以快速表面反应为主导。理论计算进一步揭示，晶格应变与硫空位协同作用使钠离子吸附与电荷转移效率显著增强。基于此负极组装的sd-SnS/rGO|NVP全电池（匹配Na₃V₂(PO₄)₃正极）在1 A g⁻¹下循环120次后容量为293 mAh g⁻¹，验证了材料的实用价值。
图文赏析
图1.（a）sd-SnS/rGO的合成过程和（b）sd-SnS/rGO中晶格应变和缺陷的耦合的示意图。
文章链接
Yitong Jiang, Yihong Zheng, Lijuan Tong, Kun Zuo, Mulan Tu, Shihong Chen, Xiaochuan Chen, Junxiong Wu, Qinghua Chen, Xiaoyan Li, Yuming Chen. Coupling Lattice Strain and Sulfur Vacancy in Tin Monosulfide/Reduced Graphene Oxide Composite for High-Performance Sodium-Ion Storage. Energy Environ. Mater. 2025. 12891
DOI: 10.1002/eem2.12891
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