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Quantum-Size FeS2 with Delocalized Electronic Regions Enable High-Performance Sodium-Ion Batteries Across Wide Temperatures

离域电子 阳极 材料科学 离子 化学物理 扩散 纳米技术 电极 化学 热力学 物理化学 物理 有机化学
作者
Tianlin Li,Danyang Zhao,Meiyu Shi,Chao Tian,Jie Yi,Qing Yin,Yong‐Zhi Li,Bin Xiao,Jiqiu Qi,Peng Cao,Yanwei Sui
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (1)
标识
DOI:10.1007/s40820-025-01858-2
摘要

Wide-temperature applications of sodium-ion batteries (SIBs) are severely limited by the sluggish ion insertion/diffusion kinetics of conversion-type anodes. Quantum-sized transition metal dichalcogenides possess unique advantages of charge delocalization and enrich uncoordinated electrons and short-range transfer kinetics, which are crucial to achieve rapid low-temperature charge transfer and high-temperature interface stability. Herein, a quantum-scale FeS2 loaded on three-dimensional Ti3C2 MXene skeletons (FeS2 QD/MXene) fabricated as SIBs anode, demonstrating impressive performance under wide-temperature conditions (- 35 to 65 °C). The theoretical calculations combined with experimental characterization interprets that the unsaturated coordination edges of FeS2 QD can induce delocalized electronic regions, which reduces electrostatic potential and significantly facilitates efficient Na+ diffusion across a broad temperature range. Moreover, the Ti3C2 skeleton reinforces structural integrity via Fe-O-Ti bonding, while enabling excellent dispersion of FeS2 QD. As expected, FeS2 QD/MXene anode harvests capacities of 255.2 and 424.9 mAh g-1 at 0.1 A g-1 under - 35 and 65 °C, and the energy density of FeS2 QD/MXene//NVP full cell can reach to 162.4 Wh kg-1 at - 35 °C, highlighting its practical potential for wide-temperatures conditions. This work extends the uncoordinated regions induced by quantum-size effects for exceptional Na+ ion storage and diffusion performance at wide-temperatures environment.

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