ChemElectroChem：合成一种新型Mn(OH)(OCH3)前驱体用以构筑二维MnS基锂/钠离子电池阳极材料

二维非层状材料因高活性表面而表现出许多优异性能，特别是在能源转化和储存中，可提供大量活性位，缩短电荷传递距离，降低离子嵌入能垒。过渡金属化合物可通过转化反应储存电荷，具有远高于碳材料的储锂/钠容量。其中锰的硫化物具有成本低廉、环境友好、储量丰富的优点，且比对应氧化物的电导率、机械强度和热稳定性高，受到研究者的普遍关注。但由于缺少晶体各向异性生长的驱动力及合适的前驱体，合成二维硫化锰仍具一定的挑战性。

广州大学化学化工学院彭峰教授、刘芝婷博士团队通过改进已报到的甲醇热技术，首次合成了具有二维片状结构的Mn(OH)(OCH₃)，并以其为前驱体合成了二维多孔α-MnS及其包碳复合物α-MnS@NSC（图1）。对其进行电化学储锂/钠性能研究发现，α-MnS@NSC的储锂/钠性能超过了大多数文献已报到的硫化锰基电极材料。

图1 二维片状α-MnS及其包碳复合物的合成方法示意图以及储锂性能

如图2所示，SEM和TEM图像表明，α-MnS和α-MnS@NSC保留了前驱体Mn(OH)(OCH₃)的片状结构，并在焙烧过程中由于有机基团的分解形成了大量孔结构。

图2 (a) Mn(OH)(OCH₃)、(b) α-MnS、(c) α-MnS@NSC的SEM图像；(d-g) α-MnS@NSC的TEM图像及对应的EDX元素扫描图像

这种微米级尺寸，纳米级厚度的多孔片状α-MnS，外层包裹N、S共掺杂的碳壳后，表现了优异的电化学储锂/钠性能。用于锂离子电池时（图3a和3b），α-MnS@NSC在0.2 A g^-1电流密度下放电比容量可达到1275 mA h g^-1，在2 A g^-1电流密度下仍具有679 mA h g^-1的比容量。在1.0 A g^-1电流密度下循环450圈后，可保有748 mA h g^-1的比容量。用于钠离子电池时（图3c和3d），在0.1 A g^-1电流密度下的比容量为581 mAh g^-1，在0.2和0.5 A g^-1电流密度下循环200圈后，容量分别可保持在290和189 mA h g^-1。动力学分析结果显示，二维多孔结构有利于强化α-MnS中离子传递，而N、S共掺杂的碳壳有利于提高材料的电子电导率，因此α-MnS@NSC表现出优异的电化学储锂/钠性能。该研究不但为二维锰基化合物的合成提供了一种新方法，还为高性能锂/钠离子储存提供了一种优化结构。

图3 α-MnS@NSC电化学储锂/钠的(a/c)倍率性能和(b/d)循环稳定性

论文信息

Synthesis of Mn(OH)(OCH₃) as a Novel Precursor for 2D MnS-Based Lithium- and Sodium-Ion Battery Anode Materials

Xunjie Chen, Menghui Zhang, Dr. Zhiting Liu, Jianzhong Cai, Prof. Haosen Fan, Yuyan Cui, Zenan Wu, Prof. Feng Peng

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200738