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Engineering Crystalline–Amorphous Interfaces in Iron Sulfide/Carbon Nanostructures to Boost Sodium Storage Kinetics and Cycling Durability

材料科学 阳极 异质结 纳米技术 纳米结构 储能 无定形固体 纳米晶 碳纤维 化学工程 成核 硫化铁 纳米线 工作(物理) 纳米颗粒 电极 电化学 电子传输链 动力学 硫化物 无定形碳 超级电容器 双金属片 合理设计 分子动力学 制作
作者
Xingyu Zhang,Ming Lei,Sha Li,Tao Chen,Haitao Hu,Zhengyou He,Kangli Wang,Kai Jiang,Hongwei Tao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (52): 70569-70584
标识
DOI:10.1021/acsami.5c15519
摘要

Iron sulfide (FeS) has emerged as a compelling candidate for sodium-ion storage owing to its abundant availability and intrinsically large theoretical accommodation of Na+. However, its real-world utilization remains limited due to inherent issues, such as restricted charge transport, slow Na-ion migration pathways, and pronounced structural breathing upon repeated sodiation-desodiation. Herein, we report a rationally engineered crystalline-amorphous yolk-shell FeS@C heterostructure in which ultrafine crystalline FeS nanocrystals are uniformly encapsulated by an amorphous N-doped carbon shell, forming a sharp and coherent heterointerface. This crystalline-amorphous interface induces interfacial electronic asymmetry, giving rise to a built-in electric field that accelerates directional electron movement and Na+ migration. Meanwhile, the conformal N-doped carbon shell effectively buffers the mechanical strain, enhancing structural integrity during long-term cycling. Furthermore, abundant defect sites at the interface introduce pseudocapacitive contributions, promoting rapid charge storage kinetics. Benefiting from these synergistic effects, the FeS@C anode delivers an outstanding reversible capacity of 913.5 mAh g-1 at 0.1 A g-1, maintains 462.9 mAh g-1 at an ultrahigh rate of 20 A g-1, and exhibits exceptional repeated-cycle performance over 2000 cycles. In a full-cell pairing with a Na3V2(PO4)3@C positive electrode, the resulting cells demonstrate remarkable energy densities of 261.0 Wh kg-1 (coin-type) and 232.3 Wh kg-1 (soft-pack) with over 70% capacity retention upon long-term cycling. This work establishes a universal crystalline-amorphous heterostructure design strategy to modulate interfacial charge dynamics and structural robustness, offering a pathway toward high-performance and durable Fe-based anodes for next-generation sodium-ion batteries.
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