阳离子调控增强双导电性实现高稳定性钠存储的Cu1-xWxS材料研究

【编辑推荐】过渡金属硫化物(TMSs)因导电性不足制约其钠离子电池应用。研究人员通过钨(W)掺杂策略调控CuS电子结构，制备出具有优异双导电性的Cu1-xWxS材料，实现369.0 mAh g?1@0.3 A g?1的高可逆容量和1400次循环稳定性，为高性能电极设计提供新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，钠离子电池(SIBs)因其成本优势和资源丰富性成为锂离子电池的有力替代者。然而，电极材料尤其是阳极材料的性能瓶颈严重制约其发展。过渡金属硫化物(TMSs)虽然具有理论容量高、结构可调等优点，但固有的电子/离子电导率低、循环稳定性差等问题阻碍其实际应用。传统纳米结构调控和碳复合策略虽能部分改善性能，但难以从根本上解决材料本征导电性不足的难题。

河北大学（Hebei University）的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新研究，提出阳离子调控新策略。通过微波辅助法合成钨(W)掺杂的铜硫化物(Cu_1-xW_xS)，结合密度泛函理论(DFT)计算和动力学分析，系统阐释了异质原子工程对材料性能的提升机制。研究采用微波辅助合成、同步辐射表征、电化学测试等关键技术，通过对比掺杂前后材料的晶体结构、电子态密度和钠离子扩散势垒，揭示W掺杂诱导的硫空位形成和电子结构优化机制。

材料设计与合成部分显示，W⁶⁺与Cu²⁺的离子交换反应成功构建了分级结构，X射线衍射(XRD)证实晶面间距从0.304 nm扩大至0.316 nm。结构表征通过高分辨透射电镜(HRTEM)观察到明显的晶格条纹畸变，X射线光电子能谱(XPS)证实W掺杂后Cu²⁺/Cu⁺氧化还原对活性增强。电化学性能测试表明，优化后的Cu_0.94W_0.06S在5.0 A g^?1高电流密度下仍保持324.2 mAh g^?1的容量，优于多数报道的TMSs材料。机理分析通过非原位测试揭示其分步反应过程：Na⁺优先嵌入层间间隙，随后发生转化反应生成Na₂S和金属Cu/W。

该研究的重要意义在于：首次将高价态W掺杂策略应用于铜硫化物体系，通过实验与理论计算相结合，阐明阳离子调控增强双导电性的原子级机制。所开发的Cu_1-xW_xS材料不仅为高性能SIBs阳极设计提供新范式，其提出的"电子结构调控-离子扩散优化"协同策略也可拓展至其他储能体系。河北大学团队通过跨尺度结构设计，成功解决了TMSs材料本征导电性差的关键科学问题，推动钠离子电池商业化进程。