近日，东南大学徐庆宇教授课题组与美国布鲁克海文国家实验室苏东教授合作，在原位TEM探究层状硫化物储钠机理研究中取得新进展，研究成果以“In Situ Electron Microscopy Investigation of Sodiation of Titanium Disulfide Nanoflakes”为题在国际知名期刊《ACS Nano》上发表。
层状二硫物具有与石墨相似的层状结构，可以有效可逆地容纳和脱嵌钠离子，使其成为高容量钠离子电池电极材料候选者。但是在这些由范德华力主导的层状二硫化物结构中，钠离子的迁移可能与过渡金属氧化物中的不同，插入的钠离子可以显著地改变层间的相互作用，从而可以改变主体结构。但是目前，在这些由弱范德华力相互作用而结合的层状结构中，钠化反应过程中的结构和形貌的转变机制以及反应动力学在很大程度上是未知的，因此研究钠离子在层状二硫化物中的反应机理和反应动力学至关重要。
最近，徐庆宇教授团队通过原位透射电子显微镜结合第一原理计算研究了TiS2钠化反应过程中结构和形貌的演变过程以及反应动力学。在Na+插层反应过程中，发现了多步中间相的形成，包括phase II (Na0.33TiS2)，phase Ib (Na0.55TiS2)，phase Ia (NaTiS2)，每个中间相具有不同的钠离子占位和不同的层间堆积序列。这一现象与锂离子的嵌入过程大不相同，在初始过程中钠离子会占据三棱柱空位，这是由于钠离子的离子半径更大，钠离子嵌入后可以减小S2-离子之间的静电斥力来稳定三棱柱结构。而由于较小的锂离子半径，锂离子不会占据三棱柱空位。在钠离子的嵌入过程，层与层之间产生滑移，形成不同的层间堆积序列。随着钠离子的进一步嵌入，引发了多步挤出反应，导致Ti金属与Na2S基体相分离。通过原位STEM成像技术，观察到在插层反应过程中相边界的迁移，在挤出反应过程中2D结构转变成3D结构。与传统的转化反应不同，挤出反应后材料仍然保持了紧凑的结构，有利于保持材料的电子电导性和离子电导性。此外挤出反应大大提高了容量，使得TiS2有望成为高容量钠电池电极材料，从而为该类材料的商业应用提供了理论支撑。
该工作的第一作者是东南大学物理学院博士生王秀珍，徐庆宇教授和布鲁克海文国家实验室苏东教授为通讯作者。
以上工作受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b04222