华南理工刘军Adv. Sci.: 均匀蛋黄壳ZnS@C纳米棒实现优异的碱离子存储

二次电池已在日常生活中广泛使用，导致对长寿命和高能量碱金属离子（Li⁺、Na₊、K⁺）电池的需求不断增长。设计具有大通道和稳定结构的Na⁺和K⁺迁移电极材料至关重要，探索适用于碱金属离子电池的合适电极仍然存在瓶颈。

在此，华南理工大学刘军教授等人设计合成了一种出色的蛋黄壳ZnS@C纳米棒电极，通过自牺牲模板方法引入了相当大的空隙空间。详细的制备过程如下：首先，使用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为表面活性剂，通过传统的水热法获得Zn₂GeO₄纳米棒。之后，采用有机聚多巴胺（PDA）对获得的纳米棒进行均匀的表面包覆。

经过简单的热解后，PDA涂层外壳转变为N掺杂碳，形成核壳型Zn₂GeO₄@C纳米棒。最后，以Zn₂GeO₄@C为自牺牲模板，通过水热硫化和选择性溶解Ge源制得蛋黄壳ZnS@C。这种碳封装的纳米棒缓和了整体电子导电性，从而确保了快速的碱金属离子/电子传输。此外，纳米棒的多孔结构赋予了足够的空隙空间以减轻由碱金属离子的嵌入/脱出引起的体积应力。

图1. 蛋黄壳ZnS@C纳米棒形成的示意图及表征

由于独特的结构，这些蛋黄壳ZnS@C纳米棒在锂离子电池中实现了优异的倍率性能和循环性能（1.0 A g^-1下540次循环后容量为 740 mAh g^-1）。当用于钠离子存储时，蛋黄壳ZnS@C电极在1.0 A g^-1下进行100次循环后具有250.5 mAh g^-1的容量。作为纽扣型钾离子电池负极时，ZnS@C电极实现了超长寿命，在1.0 A g^-1下5700次循环后提供211.1 mAh g^-1的高容量。

动力学分析表明，这些具有相当大赝电容贡献的ZnS@C纳米棒有利于快速锂化/脱锂。详细的TEM和XRD分析表明，这种蛋黄壳ZnS@C负极是通过合金化过程实现的典型可逆转化反应机制进行储能。总之，这种合理的设计策略为开发优质储能材料打开了一扇窗。

图2. 用于钾离子电池的蛋黄壳ZnS@C的电化学性能

Self-Sacrifice Template Construction of Uniform Yolk–Shell ZnS@C for Superior Alkali-Ion Storage, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200247