南昌大学雷水金/山东大学熊胜林最新AFM丨碱金属离子插层驱动CdPS3二维到一维转变用于高性能钠存储

钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，被视为锂离子电池的重要替代方案。开发高性能负极材料是推动钠离子电池发展的关键。金属硫代磷酸盐（MPS3）具有独特的层状结构和P-Na合金化反应特性，展现出高理论容量和快速离子传输潜力，是极具前景的负极材料。

然而，传统自上而下剥离方法难以有效减小MPS3的横向尺寸，导致活性边缘位点暴露不足，限制了电化学性能发挥。离子插层技术虽能扩大层间距，但通常保持层状结构，难以显著提升比表面积。

近年来研究表明，碱金属离子插层可触发层状材料形貌重构，但其在MPS3体系中的应用及储钠机制尚待深入探索。

近日，南昌大学雷水金、山东大学熊胜林在Advanced Functional Materials发表了题为"Alkali-Ion Intercalation Driven 2D-to-1D Transformation of CdPS3 for Superior Sodium Storage"的研究论文。

1. 创新性地提出两步碱金属离子插层/交换策略，实现CdPS3从二维纳米片到一维纳米带的形貌转变 2. 层间距从0.65 nm显著扩大至1.18 nm，为钠离子快速传输提供通道 3. 引入Cd空位缺陷，使电子导电性提高约一个数量级 4. Na0.8Cd0.6PS3负极表现出优异电化学性能：977 mAh g⁻¹高比容量、出色倍率性能和1000次循环后87.9%的容量保持率 5. 通过原位/非原位表征结合DFT计算，揭示了钠存储机制及结构-性能关系

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金属硫代磷酸盐（MPS3）因其独特的层状结构和高理论比容量，作为钠离子电池负极材料具有巨大潜力。然而，传统自上而下剥离方法难以减小MPS3的横向尺寸，限制了活性边缘位点的暴露并阻碍离子传输动力学。

该研究展示了一种新型合成策略，利用碱金属离子插层驱动CdPS3发生二维到一维的形貌转变，显著提升钠存储性能。

通过两步碱金属离子插层/交换过程，K⁺插层首先将CdPS3纳米片剪切成K₂ₓCd₁₋ₓPS₃纳米带，随后通过Na⁺交换获得最终Na₂ₓCd₁₋ₓPS₃产物。

该二维到一维转变赋予材料多重优势：层间距扩大81.5%（从0.65 nm至1.18 nm）促进离子扩散，高长径比一维形貌提供丰富活性边缘位点和高效电子传输路径，Cd空位引入提升电子导电性。

因此，制备的Na₂ₓCd₁₋ₓPS₃负极展现出优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。该工作证明碱金属离子插层是层状材料精准形貌调控的有力工具，为设计高性能电极材料提供了通用范式。

📊 图文解读

图1 | Na₂ₓCd₁₋ₓPS₃纳米带的合成示意图及形貌表征

该图展示了通过两步碱金属离子插层/交换策略制备Na₀.₈Cd₀.₆PS₃纳米带的过程。首先通过化学气相沉积制备CdPS₃纳米片作为前驱体，随后经K⁺插层剪切和Na⁺交换获得一维纳米带结构。

SEM和TEM图像清晰展示了从二维纳米片到一维纳米带的形貌转变，HRTEM和SAED证实了单斜晶体结构的保持，元素mapping证明了Na元素的均匀分布，AFM显示纳米带厚度约60 nm。

图2 | 结构表征与物理性质分析

XRD图谱显示经插层后(001)特征峰向低角度偏移，证实层间距从0.65 nm扩大至1.18 nm。Raman和FTIR光谱揭示了P₂S₆单元振动模式的变化及Cd空位的形成。XPS分析表明Na⁺成功插入层间，且P-S和Cd-S键合减弱。

N₂吸附-脱附测试显示比表面积从0.83 m² g⁻¹显著增加至18.91 m² g⁻¹，四探针测试证实电子导电性提高约一个数量级。

图3 | 电化学性能测试与评估

CV曲线显示了与钠存储相关的氧化还原峰，对应P-S键断裂、Na₂S和Na₃P的形成及可逆转化反应。GCD曲线表明Na₀.₈Cd₀.₆PS₃负极具有85.4%的初始库伦效率，显著优于原始CdPS₃的74.4%。

该负极在0.2 A g⁻¹下循环500次后保持941 mAh g⁻¹的高容量，在5 A g⁻¹高倍率下仍保持765 mAh g⁻¹。EIS和Na⁺扩散系数计算证实了更快的离子传输动力学。

图4 | 储钠机制的原位/非原位研究

通过原位XRD监测了CdPS₃负极在充放电过程中的相变，揭示了电压依赖的晶体结构演变。非原位HRTEM和SAED表征证实了在完全放电状态下生成Na₃P和Na₂S相，充电后转化为CdS和单质P。

原子结构模型示意图阐明了涉及P-S键断裂、合金化/去合金化反应及转化反应的复杂储钠机制，解释了高比容量的来源。

图5 | 理论计算与机理分析

DFT计算表明，Na₀.₈Cd₀.₆PS₃相比原始CdPS₃表现出金属性特征，费米能级附近电子态密度显著增加，带隙几乎消失。差分电荷密度图揭示了Na⁺插层和Cd空位引起的电荷重分布。

计算显示Na⁺扩散能垒从0.45 eV降低至0.32 eV，且Na⁺吸附能从-0.82 eV增强至-2.60 eV，从理论上解释了电子导电性提升和离子传输加速的机制。

图6 | 全电池性能与实际应用演示

全电池在0.1-2 A g⁻¹电流密度范围内表现出优异的倍率性能，在0.2 A g⁻¹下循环500次后保持102 mAh g⁻¹，在1 A g⁻¹下经1200次长循环后仍保持75 mAh g⁻¹的稳定容量。两个串联的全电池成功点亮3.7 V的LED灯板，证明了该材料在实际储能应用中的巨大潜力。

📝 总结

综上所述，该研究通过两步碱金属离子插层和交换策略成功制备了Na₀.₈Cd₀.₆PS₃纳米带。该方法触发了从二维纳米片到一维纳米带的形貌演变，显著增加了电化学活性位点。同时，离子插层将层间距从0.65 nm扩大至1.18 nm。

Cd空位和Na⁺插层的协同效应同步提升了电子导电性、钠吸附能力和离子迁移动力学，从而显著改善了钠存储性能。

因此，Na₀.₈Cd₀.₆PS₃纳米带负极在0.1 A g⁻¹时提供977 mAh g⁻¹的高比容量，在5 A g⁻¹时保持765 mAh g⁻¹的优异倍率性能，并在1 A g⁻¹下循环1000次后保持87.9%的容量。

通过原位/非原位结构分析，阐明了Na₀.₈Cd₀.₆PS₃电极的储钠机制涉及P-S键的不可逆断裂生成单质P和CdS，共同提供高比容量。

该工作证明碱金属离子插层是结构调控金属硫代磷酸盐形貌的通用途径，为释放其在先进储能系统中的全部潜力提供了前景广阔的方向。

Alkali-Ion Intercalation Driven 2D-to-1D Transformation of CdPS3 for Superior Sodium Storage,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.75414