利用二硫代氨基甲酸酯配体增强储能性能：基于铜-三硫族元素配合物的卡特蓄电池技术进展

与二乙基二硫代氨基甲酸酯配体螯合可制备新式半导体铜资料2S: Sb2: Ni3金属3硫族元素2。本研讨首次尝试经过选用二硫代氨基甲酸盐配体。该光活性资料具有2.55电子伏特的带隙及多样化的晶体学特征，其中值晶粒尺寸为44.21纳米，展现出杰出的光学功能。红外光谱分析确认了金属硫化物键的存在，其波数范围在519至909厘米。铜化合物的电化学特性S: Sb−1: Ni2选用1M KOH背景电解质与标准三电极体系进行评价。该三硫族化合物展现出7053.64 W kg^-1的功率密度2以及高达487.36 mAh g^-1的极高单位容量3使其成为抱负的3电极资料 %%2电池−1使用。附近的串联电阻（R−1）值为0.09Ω，进一步证明了优异的电化学功能。1500分钟的计时电流分析标明该CuS: Sb: Ni复合资料具有稳定的电化学行为。 applications. The similar serial resistance (Rs) of 0.09 Ω further confirmed the excellent electrochemical result. Chronoamperometric analysis over 1500 min showed stable electrochemical behaviour of the Cu2S: Sb2S3: Ni3S2 composite.

图文摘要

跟着城市化与工业化的继续推进，化石燃料的有限储量在现代已完全耗尽。这导致市场对可靠且环境友好型动力的需求急剧添加。现在全球范围内正大力开展可继续资源优化研讨，旨在开发高效、低本钱且易于拼装的技能与体系[1,2]。此类战略一起致力于供给化石燃料的可继续代替计划——这类传统动力已成为全球变暖的首要诱因。动力可继续性经过使用可再生动力得以完成。但是这种办法存在必定限制性，因为可再生动力并非始终可用[3]。要以可继续办法最大化可再生动力的潜在优势，或许需要长时间收集和使用这些资源发生的能量[4,5]。在动力消耗继续添加的当下，储能技能正遭到日益广泛的重视。鉴于其实践重要性，储能设备在这些环保体系与技能中获得了最多重视[6]。
超级电容器与电池是当时电化学储能领域中最受重视的研讨对象[7]。不同储能设备的功率取决于所选用的资料类型[[8], [9], [10]]。由于催化剂及组件的昂扬本钱，大规模使用正面对日益严峻的应战。在储能进程中，各类金属硫化物与价格更高、使用更频繁的化学品一起作为有用催化剂被广泛使用[11]。
为战胜储能领域中贵金属资料带来的高本钱应战，有必要开发价格更低且环境友好的代替资料。过渡金属硫化物作为动力使用研讨中很多电活性资料之一，因其杰出的稳定性和功率而遭到广泛重视[12]。与具有更高能量密度和功率密度的昂贵资料比较，此类金属硫化物不只本钱更低且功率更优。金属硫化物优异的电化学特性是其杰出功能的关键所在[13,14]。它们在不同氧化水平下对机械载荷和热载荷均表现出均匀响应特性[15]。因而从有用视点考量，将其使用于动力相关产品具有充分合理性。已有研讨标明，凭仗出色的氧化复原可逆性、电容特性及高电导率，金属硫化物是动力使用的潜在候选资料[16]。为评价金属硫化物的效能，研讨者们已开展大量试验。这些硫化物正以单一组分[17]、二元[18]、三元[19]及四元化合物的方式被体系研讨，以期完成产值最大化并构建化学协同效应。
一种根据金属硫化物结构的新式气凝胶资料已被成功开发并制备，该资料具有多种一起特性及潜在使用远景。其中一项引人注目的使用是CO2的电催化复原2这一进程在缓解大气中不断上升的二氧化碳浓度方面具有重要作用。最近的研讨中，硫化锡硫属化物凝胶被用作前驱体，以制备高效的CO2电催化剂2研讨团队经过在不同电位区间进行循环伏安法活化碳纤维布上的硫化锡，制备出具有不同硫含量的硫化锡复合资料（SnS0.09/CC与SnS0.55/CC）。SnS0.55/CC，其硫含量较高，功能优于SnS0.09/CC，在−1.1 V电压下生成28.4 mA/cm²时法拉第功率达93.1%2[20]。硫化物基电池因其杰出的安全性和离子导电性，被视为最具远景的储能技能之一。富镍层状氧化物LiNix(NCM)正极因其高电压和高容量的特性，能有用提高能量密度。但是NCM与硫化物液态电解质之间的界面反响会生成有害钝化层，导致离子电导率和电化学功能下降。前述研讨制备的电池表现出杰出功能，其放电比容量高达200.7 mAh gy），优异的循环稳定性（500次循环后容量坚持率达87%）以及合理的倍率功能（158.3 mAh g^-11-x-y在1C条件下[21]。根据硫化物的全固态电池(ASSBs)因其硫化物固态电解质(SSEs)而具有高离子电导率和优异加工功能。碳基导电剂(CAs)虽能促进电子传输，但也会加快SSE分解，然后影响电池功能。最新研讨调查了CAs对不同正极质量负载量(8和25 mg/cm²)ASSBs的影响。2研讨结果标明，无性向资料在低载量条件下会引发副反响，而在高载量时则能促进电荷转移。经过梯度化规划使集流体附近富集无性向资料，可在改进电子传输的一起降低负面影响。优化后的电极在100次循环后仍坚持较高面容量，这为高载量电极供给了一种可行计划[22]。−1), great stability during cycling (87 % retention of capacities after 500 cycles), and reasonable rate performance (158.3 mAh g−1 at 1C) [21]. Sulfide-based all-solid-state batteries (ASSBs) have high ionic conductivity and great processability due to their sulfide solid electrolytes (SSEs). Carbon-based conductive agents (CAs) boost electron transmission but also accelerate SSE breakdown, which has an impact on battery performance. A recent study examines the effect of CAs on ASSBs with varying cathode mass loadings (8 and 25 mg/cm2). The results reveal that CAs generate side reactions at low mass loading, while at high mass loading, they improve charge transfer. A gradient design, which enriches CAs near the current collector, improves electron transport while reducing negative consequences. The optimized electrode has a high areal capacity after 100 cycles. This suggests a feasible technique for high-mass loading electrodes [22].
铜硫族化合物是一类具有广泛使用远景的硫族化合物，其潜在使用已得到深入研讨。当X分别代表S、Se和Te时，化学式CuX即表示这些化合物。根据CuX的资料在光电子学[23]、光伏技能[24,25]、压电催化才能[26]以及热电子学[27]等领域具有广泛使用。硫化亚铜(Cu2S)因其优异的稳定性和离子特性而备受重视。学界普遍认为高压是导致Cu2S发生相变的首要原因。Cu2S所具有的相变特性使其在动力使用领域具有重要研讨价值。
本研讨选择三元复合体系作为电池资料，源于这些特定半导体资料整合后发生的协同效应——每种组分均能供给一起的电化学优势。Cu2S优异的导电功能保证电荷高效传输并增强氧化复原活性，然后明显提高复合资料的电化学功能。Cu2硫作为锂离子电池负极资料备受重视，首要归因于其理论容量大和电子导电性优异。但是，充放电循环进程中体积变化导致的循环稳定性差阻碍了其实践使用。在最新研讨中，复原氧化石墨烯（rGO）三维骨架与铜的复合结构被证明可有用缓解这一问题。2选用水热组成与冷冻干燥技能成功制备了S纳米花结构。这种一起的三维架构有用按捺了纳米颗粒在循环进程中的结构与形貌变化[28]。另一项研讨经过喷雾热解法（SP）结合热处理工艺组成了化学计量比的硫化铜（Cu2选用不同铜硫比(Cu/S)和退火温度制备的硫基电极。但是，由于铜对铝的腐蚀作用，铝箔涂覆电极的可逆性较低。比较之下，铜箔包覆电极表现出更高的稳定性，在充放电倍率高达30°C时仍能坚持功能[29]。硫化锑(Sb2) 具有极高的理论容量和优异的结构稳定性，是电池存储的抱负结构资料。锑(Sb)经过合金化/脱合金化机制展现出高比容量，使其成为钠离子电池(SIBs)负极的优选资料。锑基负极涂层首要包含纯锑、二维锑烯以及锑属硫族化合物(Sb3与Sb2Se3)，这些资料选用不同的储钠机制。经过立异纳米结构规划构建的特殊拓扑形貌可明显改进储钠功能。2Se3), which use different sodium storage methods. Innovative nanostructured designs with distinct topologies improve sodium storage characteristics.
经过将锑基复合资料与碳基改性剂或金属支架结合构建复杂纳米复合资料，可有用提高钠存储功能。近期operando与in-situ表征技能的发展为阐明锑基负极的钠滞留机制供给了更深入的知道。这些发展确立了锑基资料作为高功能钠离子电池(SIBs)的抱负候选资料[30]。
硫化镍（Ni3该资料凭仗其强催化特性和氧化复原活性，明显提高了复合资料维持高能量密度与功率密度的才能。近期一项研讨中，研讨人员以双(N-烷基-N-乙醇二硫代氨基甲酸)镍(II)（甲基代替的NiL12与乙基代替的NiL22）为前驱体，成功制备出硫化镍与氧化镍纳米颗粒。在1M NaOH溶液中的电化学测试标明，用于电极制备的镍基资料不只具有更高电化学活性，还表现出更快的电子传输速率。未封端的NiS资料呈现出氧化峰（约0.36V）与复原峰（约0.30V）的氧化复原特征[31]。经过一锅法水热技能组成的介孔硫化镍纳米结构，在对称双电极体系中完成了最大能量密度输出。经过5000次充放电循环后，该资料仍能坚持初始电容值的72%。此外，两个对称设备成功点亮了赤色LED，这证明了介孔纳米薄片作为电极资料在实践超级电容器中的电化学功率与多功能性，使其成为电化学使用的抱负候选资料[32]。这些资料一起构成了一种体系，不只具有更高的比容量，还能在充放电循环中坚持长时间稳定性和可靠性。该三元体系的一个明显优势在于其能够打破单一资料的功能限制。2S具有高电子迁移率，但其结构刚性或许影响电化学稳定性。掺入Sb2与Ni2可提高机械稳定性与氧化复原活性。Ni增强的电荷转移动力学3与Sb强化的结构特性3一起构成具有优化电化学功能的复合资料。该三元战略战胜了单组分结构的缺陷（如容量快速衰减），一起坚持了可规模化、可重复的制备工艺。Cu2S: Sb3: Ni2这种复合资料作为一种立异电极资料在能量存储使用中展现出一起优势，在复杂性与有用性之间完成了杰出平衡。2S3 result in a composite with improved electrochemical performance. This ternary strategy overcomes the drawbacks of single-component frameworks, such as quick capacity fading, while preserving a scalable and repeatable preparation process. The Cu2S: Sb2S3: Ni3S2 composite offers a distinct benefit as an innovative material for electrodes for energy preservation applications, balancing complexity with usefulness.
金属硫化物复合资料因其在动力相关使用中的潜在用途而遭到广泛研讨。因而，已有大量研讨重视各种金属硫化物的制备办法[[33], [34], [35]]。%%关于Cu%%S基三金属硫化物，现在没有有关于硫族化合物Cu%%S: Sb%%: Ni%%的研讨报道，该化合物将铜与其他过渡金属如锑(Sb)和镍(Ni)相结合。首次提醒了Cu2Sb2: Ni2研讨了储能使用。本研讨选用二乙基二硫代氨基甲酸配体（DTCL）前驱体法组成半导体铜资料，3S: Sb3: Ni2该办法根据单源前驱体工艺在组成高质量硫族化合物方面的明显优势。经过紫外-可见光谱（UV-Vis）对半导体铜资料的光学特性进行了表征2S: Sb2: Ni3选用X射线衍射（XRD）技能测定结晶性质，并经过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对官能团进行分析。此外，使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）研讨了半导体Cu3S: Sb2: Ni2的形貌特征。经过恒电流充放电（GCD）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）及计时电流法（CA）等手法评价电荷存储功能。2S3: Ni3S2, by considering the advantageousness of single source precursor procedure for the synthesis of chalcogenides with high-quality. UV–Vis was used to evaluate the optical characteristics of the semiconducting Cu2S: Sb2S3: Ni3S2. XRD was also employed to determine crystallinity qualities. Functional groups were examined using FT-IR spectroscopic technique. Furthermore, FE-SEM was used to study the morphological conformations of the semiconducting Cu2S: Sb2S3: Ni3S2. The electrical charge storage potential was examined using galvanostatic charge discharge (GCD), cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and chronoamperometry (CA).
Cu2S的离子特性增强了离子活动与电荷存储，然后提高电化学活性。Cu2S是一种p型半导体，其优异的导电性源于晶体结构中Cu+离子的高迁移率[36]。这一本征特性完成了快速的离子扩散，特别有助于储能器件完成高充放电速率[37]。Cu在Cu2S中的混合价态特性促进了法拉第反响，增强了氧化复原活性和电荷存储容量。Cu2S的优异特性使其成为需要高能量密度与功率密度的超级电容器电极的抱负资料。Cu2S的离子导电性、经济性与结构柔韧性使其特别合适大规模使用[38]。其易于制备的特性及与其他资料的互操作性，令其在复合体系中具有一起优势。本研讨选用Sb2与Ni3以解决储能使用中的特殊问题。Sb3的层状结构可完成高效的离子嵌入/脱嵌进程，然后获得高理论容量[39]。Ni2其高比表面积与优异导电性促进了电荷高效传输，并为电化学进程供给了更多活性位点[40]。该复合资料各组分的协同效应明显提高了电化学功能，包含容量添加、倍率潜力增强及循环稳定性改进。该复合体系整合了Cu2S、Sb3与Ni3，使用各组分的一起优势完成最佳储能功能。这种组合展现了资料规划如何打破单一组分的限制性，然后为未来储能体系供给立异解决计划。当时研讨引入了Cu2S:Sb2:Ni2三硫族化物复合物是一种一起的过渡金属硫族化合物混合物，其经过协同效应发挥优势。该复合资料旨在改进电子转移动力学功能、提高电导率，并供给杰出的电化学稳定性。据咱们所知，这种资料构型在电池技能领域没有见报道，凸显了其立异性奉献。此外，咱们选用包含二乙基二硫代氨基甲酸酯配体的单源前驱体法，完成了原子级均匀性。这种简便且经济高效的组成战略为传统办法供给了环境友好的代替计划，契合可继续资料制备的日益添加需求。在电池技能新式资料制备中选用此类办法，突显了本研讨的原创性。Cu3S:Sb3:Ni2该复合资料在电荷存储才能、循环稳定性和能量密度方面均优于传统电池资料。这些发现凸显了该资料在打破现有电池技能边界方面的潜力。2S:Sb2S3:Ni3S2 trichalcogenide composite, a unique mixture of transition metal chalcogenides that utilize their synergistic features. This composite is intended to improve electron transfer kinetics, increase electrical conductivity, and give outstanding electrochemical stability. To the best of our knowledge, this material configuration has not previously been reported for battery technology, emphasizing its novel contribution. Furthermore, we used a single-source precursor approach that included a diethyldithiocarbamate ligand to achieve atomic uniformity. This simple and cost-effective synthesis strategy provides an environmentally benign alternative to traditional methods, meeting the growing demand for sustainable material creation. The use of such an approach in producing new materials for battery technology emphasizes the study's originality. The Cu2S:Sb2S3:Ni3S2 composite outperforms traditional battery materials in terms of charge storage capacity, cycle stability, and energy density. These findings highlight the material's potential to push the boundaries of existing battery technologies.