Nanostruktur Co9S8 dengan Lapisan Karbon Terdop N,S: Anoda Baterai Ion Natrium Tinggi Kinerja

Abstrak

Co₉S₈ adalah bahan anoda potensial karena performa penyimpanan natrium yang tinggi, ketersediaan yang mudah, dan stabilitas termal. Namun, ekspansi volume merupakan hambatan besar bagi perkembangannya. Di sini, komposit yang berisi nanoserat Co₉S₈ dan nanobola berongga Co₉S₈ dengan lapisan karbon terdop N,S (Co₉S₈@NSC) berhasil disintesis melalui proses solvothermal yang sederhana dan karbonisasi suhu tinggi. Akibatnya dari lapisan karbon dan luas permukaan spesifik yang besar, stres volume yang parah dapat efektif diurungkan. Khususnya, dengan memperkenalkan heteroatom N dan S ke dalam lapisan karbon, yang menguntungkan untuk adsorpsi dan difusi Na⁺ pada permukaan karbon, Co₉S₈@NSC dapat melakukan mekanisme penyimpanan natrium yang lebih kapasitif. Akibatnya, elektroda dapat menunjukkan kapasitas reversible yang menguntungkan sebesar 226 mA h g⁻¹ pada 5 A g⁻¹ dan retensi kapasitas yang menguntungkan sebesar 83,1% pada 1 A g⁻¹ setelah 800 siklus. Desain unik ini memberikan ide inovatif untuk meningkatkan performa penyimpanan natrium.

Pendahuluan

Dengan perkembangan cepat sistem cadangan energi di kendaraan listrik dan produk elektronik portabel, baterai ion natrium (SIBs) telah menjadi pesaing kuat terhadap baterai ion lithium (LIBs), karena perilaku charge-discharge yang serupa dengan LIBs, biaya rendah, dan cadangan alam yang melimpah [1,2,3]. Dan potensi elektrokimia Na (− 2,71 V terhadap elektroda hidrogen standar, SHE) lebih tinggi daripada Li (− 3,04 V) dengan 330 mV, yang membuat SIBs mungkin untuk memenuhi kebutuhan penyimpanan energi berskala besar [4,5,6]. Namun, tantangan terpenting dalam SIBs adalah ekspansi volume yang besar selama proses sodiasi yang berasal dari stres besar yang berasal dari radius Na⁺ (1,02 Å) yang lebih besar daripada Li⁺ (0,76 Å) [7, 8]. Ini akan menghasilkan pulverisasi dan eksfoliasi yang parah dari bahan aktif dari foil tembaga dan lebih lanjut mengakibatkan performa siklus yang buruk. Oleh karena itu, desain rasional bahan anoda adalah masalah mendesak.

Berbagai bahan anoda telah dilaporkan karena kapasitas teoretis yang tinggi, seperti sulfida logam transisi (TMSs) [9,10,11,12,13,14], oksida logam transisi (TMOs) [15,16,17,18], fosfida [19,20,21,22], dan komposit karbon [23,24,25,26]. Di antaranya, MS berbasis kobalt (seperti CoS, CoS₂, Co₃S₄, dan Co₉S₈) telah menarik perhatian besar karena konduktivitas hampir logam dan ketersediaan yang mudah [27,28,29]. Secara khusus, Co₉S₈ kubik menarik perhatian banyak karena stabilitas termal yang hebat. Sayangnya, itu masih dihalangi oleh variasi volume yang parah, laju difusi Na⁺ yang lambat, dan konduktivitas buruk [30,31,32]. Upaya besar telah dilakukan untuk mengatasi kekurangan Co₉S₈.

Sampai saat ini, sebagian besar studi juga berfokus pada merancang materi karbon baru dengan heteroatom (N, P, S, B) yang didop, seperti struktur seperti sandwich dengan N, S-doped RGO [33, 34], N-C/CoS 2 seperti bunga [35], Co₉S₈ dilapisi dengan nanobola karbon yang didop N [36, 37], dan nanoserat N, S-doped [38, 39]. Lapisan karbon tidak hanya dapat meningkatkan konduktivitas TMSs, tetapi juga mengurangi stres yang timbul dari ekspansi volume. Khususnya, dengan dop heteroatom, struktur elektronik karbon dapat dimodifikasi untuk meningkatkan properti fisik dan kimia dengan menghasilkan defek ekstrinsik, memperluas jarak antar lapis, dan menawarkan rute transfer elektron tambahan ketika heteroatom terikat dengan atom karbon [40,41,42,43,44].

Di sini, kami menyintesis duplik morfologi Co₉S₈, yang berisi nanoserat dan nanobola berongga, keduanya dilapisi karbon terdop N,S (dinyatakan sebagai Co₉S₈@NSC), untuk SIBs yang sangat stabil. Struktur nanoserat menyediakan transportasi elektron berkelanjutan jarak jauh, sementara nanobola berongga meningkatkan infiltrasi elektrolit. Lapisan karbon terdop N,S dapat memberikan lebih banyak elektron bebas, yang menguntungkan adsorpsi Na⁺ pada permukaan dan meningkatkan konduktivitas keseluruhan. Karena kekerasan lapisan karbon dan jaringan 3D, variasi selama penyisipan/ekstraksi ion natrium dapat diurungkan dengan baik dari tingkat atom dan 3D. Dan luas permukaan spesifik yang tinggi dapat meningkatkan kapasitas kontribusi pseudo-kapasitif, yang mengarah pada performa laju yang unggul. Akibatnya, SIBs dengan Co₉S₈@NSC dapat memberikan retensi kapasitas yang stabil sebesar 318 mA h g⁻¹ setelah 800 siklus pada 1 A g⁻¹ dengan efisiensi coulomb ~ 100%, menjadikannya anoda yang menjanjikan untuk SIBs berskala besar.

Metode Eksperimental

Sintesis Co₉S₈@NSC

Dalam proses tipikal, komposit disiapkan melalui electrospinning koaksial diikuti dengan metode alkohol-termal dan karbonisasi.

Persiapan Nanoserat Elektrospun

0,74 g PAN (Sigma-Aldrich, MW = 150.000) dan 9 ml DMF diaduk selama malam untuk membentuk larutan luar homogen, sementara 1,8 g Acetilacetonat Kobalt(II) (Co(acac)₂, Aladdin, kemurnian ≥ 99%) dan 0,74 g PAN (Macklin, MW = 150000) dicampur dengan 9 ml DMF dan diaduk secara bersamaan sebagai larutan dalam berwarna merah tua. Kemudian, dua jenis larutan dilakukan melalui electrospinning koaksial (ukuran jarum: dalam 17 G, luar: 22 G). Jarak antara jarum dan kolektor foil aluminium adalah 15 cm, dan kondisi suhu dipertahankan pada 65 °C. Kemudian, potensi listrik diterapkan pada 15 kV dengan laju dua serings masing-masing 1,5 ml h⁻¹. Serat prekursor akhir dikeringkan pada 60 °C dalam vakum selama 24 jam.

Sulfurasi dan Karbonisasi

Nanoserat yang didapat pertama kali dicampur dengan 50 ml etanol yang berisi tiasetamida (TAA, Aladdin, kemurnian ≥ 99%) dalam autoclave stainless steel yang dilapisi Teflon berkapasitas 100 ml pada 120 °C selama 6 jam dengan metode solvothermal. Produk akhir diperoleh dengan karbonisasi pada 700 °C selama 1 jam dengan laju pemanasan 5 °C min⁻¹ dan didinginkan secara alami. Untuk perbandingan, sampel tanpa kobalt (karbon terdop N,S, dinyatakan sebagai NSC) juga disiapkan menggunakan metode yang sama seperti di atas tanpa menambahkan Co(acac)₂.

Karakterisasi Struktural

Morfologi dan struktur Co₉S₈@NSC dikarakterisir dengan mikroskop elektron pemindai (SEM, ZEISS Gemini 500) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100HR). Uji analisis gravitasi termal (TGA) dilakukan untuk mengevaluasi konten Co₉S₈ oleh Netzsch STA449. Analisis struktur kristal dan status valensi permukaan terdeteksi dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, ESCALAB 250Xi), difraksi sinar-X bubuk (XRD, Bruker D8 Advance), dan spektrum Raman. Luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori direkam dari instrumen analisis Brunauer-Emmett-Teller (BET, Micromeritics ASAP-2020).

Pengukuran Elektrokimia

Slurry diperoleh dengan mencampur bahan aktif, poli (viniliden florida) (PVDF), dan Super P (rasio bobot 8:1:1) dengan N-metilpirrolidon (NMP). Kemudian, elektroda kerja disiapkan dengan melapisi slurry secara merata pada foil tembaga yang sudah dipotong (diameter 12 mm) dan dikeringkan pada 60 °C di udara dan vakum selama malam, masing-masing. Sel koin tipe CR2032 disusun dengan logam natrium sebagai elektroda referensi, membran serat kaca sebagai pemisah, dan foil tembaga yang disiapkan sebagai anoda. Elektrolit adalah 1 M NaClO₄ dalam EC/DMC (EC:DMC = 1:1, dalam volume) dengan 5,0% FEC. Prosedur susunan dilakukan semua dalam kotak sarung tangan yang diisi Ar (O₂ < 0,1 ppm, H₂O < 0,1 ppm). Hasil voltametri siklik (CV) dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) diperoleh dari stasiun elektrokimia (CHI660E, Shanghai Chen Hua Instruments Ltd). Dan uji pengisian-charge galvanostatis dilakukan dalam sistem pengujian baterai NEWARE.

Hasil dan Pembahasan

Proses sintesis Co₉S₈@NSC diilustrasikan dalam Berkas Tambahan 1: Skema S1, termasuk electrospinning koaksial, sulfurasi solvothermal, dan karbonisasi. Kristalinitas Co₉S₈@NSC dan NSC setelah prosedur tersebut ditunjukkan dalam Gambar 1a. Kurva XRD Co₉S₈@NSC menampilkan puncak difraksi karakteristik yang sesuai dengan fase Co₉S₈ kubik (JCPDS no. 86-2273), sementara NSC hanya menunjukkan puncak karbon keras. Puncak lebar pada 24,8° sesuai dengan bidang (111) karbon amorfas. Secara menarik, itu lebih rendah dari nilai standar 26,6°, yang menunjukkan jarak antar lapis yang diperluas dan grafitasi yang lebih rendah yang berasal dari situs terdop N,S ke dalam karbon [41]. Spektrum Raman (Gambar 1b) juga mengonfirmasi keberadaan dan komposisi karbon dalam komposit. Co₉S₈@NSC dan NSC keduanya menunjukkan dua puncak yang jelas pada 1308 cm⁻¹ dan 1513 cm⁻¹, yang mewakili puncak D dan G dari karbon, masing-masing. Selain itu, Co₉S₈@NSC memiliki puncak tipikal yang lemah yang terletak pada 671 cm⁻¹, yang sesuai dengan Co₉S₈. Secara detail, puncak D diatribusikan pada defek struktur karbon amorfas, sementara puncak G disebabkan oleh modus getaran E_2g dari ikatan Sp² antara atom karbon grafit [45]. Rasio I_D/I_G yang sedikit lebih besar pada Co₉S₈@NSC (1,31) daripada NSC (1,14) menunjukkan lebih banyak defek yang ada dalam komposit, yang disebabkan oleh dop N dan dop S.

Nanostruktur Co9S8 dengan Lapisan Karbon Terdop N,S: Anoda Baterai Ion Natrium Tinggi Kinerja

Rasio bobot Co₉S₈ diukur dengan analisis gravitasi termal (TGA) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1c. Setelah dipanaskan hingga 700 °C di udara dengan 10 °C min⁻¹, reaksi multitahap terlibat dengan produk akhir sebagai Co₃O₄, yang dapat diatribusikan pada: (1) penguapan air tak berarti (di bawah 100 °C), (2) oksidasi Co₉S₈ menjadi CoSO_x (dari 200 hingga 400 °C), dan (3) dekomposisi karbon dan oksidasi berkelanjutan CoSO_x (di atas 400 °C). Menurut reaksi ini, konten Co₉S₈ dalam komposit dihitung sebagai 40,1%. Co₉S₈@NSC menunjukkan kurva isoterm tipe IV yang khas, yang menunjukkan struktur mesoporous, sementara NSC adalah mikroporous (Gambar 1d). Luas permukaan spesifik Co₉S₈@NSC (122,5 m² g⁻¹) jauh lebih besar daripada NSC (4,1 m² g⁻¹), yang dapat menguntungkan infiltrasi elektrolit untuk penyisipan/ekstraksi Na⁺ yang cepat dan mengurangi perubahan volume yang parah. Pori Co₉S₈@NSC dengan ukuran rata-rata 8,6 nm (ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1) berasal dari pirólisis grup kimia poliakrilonitril, peluruhan Co(acac)₂ dari nanoserat, dan pembentukan nanobola Co₉S₈ berongga.

Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan untuk mengidentifikasi komposisi kimia Co₉S₈@NSC. Sinyal dalam spektrum survei sesuai dengan lima unsur C, N, O, S, dan Co dalam Gambar 2a. Kehadiran O harus disebabkan oleh paparan sampel di udara dengan beberapa oksigen yang terserap pada permukaan. Spektrum resolusi tinggi C 1s (Gambar 2b) menampilkan empat puncak, yang terletak pada 284,6 eV (C-C/C=C), 285,0 eV (C-N), 285,8 eV (C-S), dan 288,6 eV (C=N) [46]. Spektrum Co 2p ditunjukkan dalam Gambar 2c. Puncak yang terletak pada 786,1 eV dan 803 eV dapat dipasang ke puncak satelit Co 2p_3/2 dan Co 2p_1/2, masing-masing. Selain itu, puncak pada 778,5 eV dan 793,6 eV dan dua puncak lainnya pada 781,4 eV dan 797,2 eV milik Co²⁺ dan Co³⁺, masing-masing [36]. Selain itu, spektrum S 2p (Gambar 2d) dipasang menjadi empat puncak, yang terdiri dari 162,45 eV (S-Co), 163,7 eV (S-C), 165 eV (S-C), dan 168,2 eV (sulfat) [47]. Dan spektrum N 1s (Berkas Tambahan 1: Gambar S2) berisi tiga puncak pada 398,4 eV, 400,1 eV, dan 401,0 eV, yang sesuai dengan nitrogen piridinik, nitrogen pirrolik, dan nitrogen grafit, masing-masing [48]. Dibandingkan dengan materi karbon tunggal, memperkenalkan situs karbon terdop N,S dapat memberikan lebih banyak elektron bebas, yang menguntungkan adsorpsi Na⁺ pada permukaan dan meningkatkan konduktivitas keseluruhan [41]. Hasil semua spektrum XPS mengonfirmasi keberadaan dop N,S dalam Co₉S₈@NSC.

Morfologi yang menarik dan struktur internal terperinci dari Co₉S₈@NSC dan NSC diukur dengan SEM dan TEM. Gambar 3a–c menggambarkan bahwa Co₉S₈@NSC terdiri dari dua jenis struktur termasuk nanobola berongga dan nanoserat. Nanoserat ini terdiri dari karbonisasi serat PAN. Pembentukan nanobola yang menempel pada nanoserat mungkin disebabkan oleh dekomposisi dan sulfurisasi Co(acac)₂ yang terlarut dari dalam serat electrospinning PAN. Dan komposit ini memiliki permukaan yang jelas kasar, yang dapat meningkatkan basabilitas elektrolit. Berkas Tambahan 1: Gambar S3a–c menampilkan morfologi NSC dengan hanya serat halus yang menempel satu sama lain tanpa nanobola, yang dapat disebabkan oleh ketiadaan kombinasi berbasis kobalt dan lelehnya serat PAN dalam proses karbonisasi. Komposisi unsur dikonfirmasi dengan pemetaan EDS (Berkas Tambahan 1: Gambar S4), dengan unsur C, N, Co, dan S yang terdistribusi secara merata dalam komposit. Dan ini lebih menunjukkan dop yang berhasil dari unsur N dan S.

Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 3d–f, gambar TEM mengungkapkan detail internal dari morfologi Co₉S₈@NSC. Gambar 3d dan e menunjukkan bahwa nanopartikel Co₉S₈ tertanam dalam serat karbon dan nanobola berongga, yang mengonfirmasi poin di atas tentang pembentukan nanobola berongga. Gambar 3f menunjukkan jarak antar bidang 0,308 nm, yang sesuai dengan bidang (311) Co₉S₈, sementara NSC dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S3d–f menunjukkan karakteristik karbon keras tradisional. Nanopartikel Co₉S₈ dengan ukuran semua di bawah 50 nm terdistribusi secara merata dalam komposit, dan ketebalan lapisan pelapisan karbon diukur 3–5 nm (Gambar 3f). Karena permukaan kasar, struktur berongga, dan pelapisan karbon, pulverisasi dan eksfoliasi yang parah dari bahan aktif yang timbul dari variasi volume dapat diurungkan secara efektif.

Untuk menyelidiki kinerja elektrokimia Co₉S₈@NSC, sel koin tipe 2032 disusun untuk uji elektrokimia. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, kurva CV Co₉S₈@NSC mencatat lima siklus awal pada laju pemindaian 0,1 mV s⁻¹. Siklus pertama sangat berbeda dari siklus berikutnya dengan puncak lebar pada 0,476 V dalam pengedapan katodik, yang diatribusikan pada pembentukan film antarmuka elektrolit padat (SEI), penyisipan Na⁺ yang tidak reversibel, dan konversi bertahap Co₉S₈ menjadi Co dan Na₂S [49]. Dalam pengedapan anodik pertama, dua puncak oksidasi pada 0,375 V dan 1,682 V dapat diatribusikan pada reaksi multitahap Co menjadi CoS_x [36]. Kurva CV Co₉S₈@NSC berikutnya secara bertahap tumpang tindih, yang menunjukkan reversibilitas elektrokimia yang tinggi. Untuk perbandingan, kurva CV NSC dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S5a menunjukkan puncak karakteristik tipikal dari karbon, yang mewakili adsorpsi dan penyisipan Na⁺ dalam serat karbon nanofibers. Gambar 4b dan Berkas Tambahan 1: Gambar S5b menampilkan profil pengisian/charge untuk siklus berbeda dari Co₉S₈@NSC dan NSC dengan efisiensi coulomb awal (CE) masing-masing 54,1% dan 28,3%. CE yang relatif rendah disebabkan oleh pembentukan film SEI yang tidak reversibel dan konsumsi elektrolit [7]. Kurva dari kedua sampel ini menunjukkan platform voltase yang khas dari Co₉S₈ dan karbon, yang sesuai dengan hasil uji CV (Gambar 4a dan Berkas Tambahan 1: Gambar S5a).

Performa laju ditunjukkan dalam Gambar 4c. Kapasitas Co₉S₈@NSC dapat mencapai 226 mAh g⁻¹ pada 5 A g⁻¹, sementara NSC hanya dapat mempertahankan 21 mAh g⁻¹. Dan kemudian, ketika densitas arus kembali menjadi 100 mAh g⁻¹, kapasitas dapat kembali ke 440 mAh g⁻¹. Gambar 4d menunjukkan kinerja siklus dari Co₉S₈@NSC. Kapasitas pengisian Co₉S₈@NSC tetap pada 423 mAh g⁻¹ pada 200 mA g⁻¹ dan 318 mAh g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ setelah 800 siklus dengan efisiensi coulomb awal masing-masing 42,3% dan 37,4%. Ini dapat dijelaskan oleh transformasi mekanisme reaksi dari penyisipan/ekstraksi pada densitas arus rendah menjadi adsorpsi/desorpsi Na⁺ pada densitas arus tinggi [2]. Secara jelas, kapasitas Co₉S₈@NSC semuanya lebih tinggi daripada NSC, yang disebabkan oleh lebih banyak situs aktif yang berasal dari Co₉S₈ dan dop N,S. Selain itu, retensi kapasitas sebesar 87,4% pada 200 mA g⁻¹ dan 83,1% pada 1 A g⁻¹ setelah 800 siklus menunjukkan kinerja siklus yang stabil dan reversibilitas reaksi yang baik dari Co₉S₈@NSC.

Untuk memahami properti antarmuka dan resistansi internal Co₉S₈@NSC dan NSC, spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) telah dilakukan. Seperti yang disajikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S6a, plot Nyquist dari Co₉S₈@NSC setelah siklus berbeda menunjukkan lingkaran setengah tipikal di wilayah frekuensi tinggi (resistansi transfer muatan, R_ct) dan garis miring di wilayah frekuensi rendah (resistansi Warburg, W). Sebelum siklus awal, R_ct terbesar (sekitar 1600 Ω) dari Co₉S₈@NSC disebabkan oleh infiltrasi elektrolit yang tidak cukup. Setelah 5 siklus, R_ct menjadi sangat kecil yaitu 153 Ω untuk pembentukan film SEI dan kontak yang baik dengan elektrolit. Selain itu, penurunan R_ct dapat juga diatribusikan pada proses aktivasi antarmuka elektroda Co₉S₈@NSC. Setelah 10 siklus, itu hampir tetap sama, yang menunjukkan stabilitas yang baik. Untuk perbandingan, EIS dari NSC juga diteliti dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S6b–e. R_ct awal dari NSC lebih kecil daripada Co₉S₈@NSC, yang menunjukkan konduktivitas elektro yang lebih tinggi dari NSC. Saat siklus berlangsung, R_ct dari Co₉S₈@NSC secara bertahap menjadi lebih kecil daripada NSC, karena luas permukaan spesifik yang lebih besar dan infiltrasi elektrolit yang cukup. Hasil yang disebutkan di atas mendukung kinerja siklus dan laju yang baik dari Co₉S₈@NSC.

Untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang elektrokimia elektroda Co₉S₈@NSC, analisis kinetik dilakukan. Kurva CV pada laju pemindaian yang berbeda dari 0,1 hingga 0,9 mV s⁻¹ dikumpulkan dan ditunjukkan dalam Gambar 5a. Berbeda dengan difusi ion umum, arus puncak (I, mA) tidak sepenuhnya bergantung linier pada v^1/2 (v adalah laju pemindaian, mV s⁻¹), yang menunjukkan koexistensi perilaku non-faradik dan faradik [35, 50]. Dan hasilnya dapat diverifikasi dengan hubungan antara log(I) dan log(v), berdasarkan persamaan log(I) = b log(v) + log(a). Ketika nilai b mencapai 0,5 atau 1, itu menunjukkan bahwa mekanisme reaksi sepenuhnya dikendalikan oleh difusi ion atau perilaku kapasitif, masing-masing [51, 52]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b, nilai b yang dihitung adalah 0,7518 (puncak katodik) dan 0,7792 (puncak anodik), yang berarti lebih banyak perilaku kapasitif.

Selain itu, kontribusi perilaku kapasitif dapat diperoleh dari persamaan: i(V) = k₁v + k₂v^1/2 [42], di mana i(V) adalah arus pada tegangan tetap, v adalah laju skan, dan k₁v dan k₂v^1/2 mewakili kapasitas kapasitif dan kapasitas difusi ion, masing-masing. Ketika laju skan adalah 0,5 mV s⁻¹, rasio kontribusi kapasitas kapasitif mencapai 69,2% (Gambar 5c). Untuk laju skan yang berbeda, Gambar 5d menggambarkan kecenderungan yang jelas dari rasio kapasitas kapasitif yang meningkat dengan laju skan dari 0,1 hingga 0,9 mV s⁻¹. Peningkatan kontribusi kapasitif dapat diatribusikan pada luas permukaan spesifik yang tinggi dan situs aktif yang melimpah, yang lebih lanjut mungkin bertanggung jawab terhadap kemampuan laju yang unggul dari elektroda Co₉S₈@NSC. Semua hasil ini mengungkapkan kinetik cepat dari Co₉S₈@NSC yang timbul dari efek kapasitif.

Menurut Gambar 5a, koefisien difusi Na⁺ (D_Na+) dapat diestimasi dari arus puncak terkuat (I_p) dan laju skan (v) dengan persamaan Randles-Sevick [32]:

$$ {I}_p=2.69\times {10}^5{n}^{3/2}A{D}_{Na+}^{1/2}{v}^{1/2}C $$

di mana n, A, dan C mewakili jumlah elektron yang ditransfer dalam proses penyisipan/ekstraksi Na⁺, luas permukaan, dan konsentrasi molar Na⁺, masing-masing. D_Na+ dari Co₉S₈@NSC proporsional dengan kemiringan hubungan linier antara I_p dan v^1/2 (Berkas Tambahan 1: Gambar S7). Akibatnya, nilai kemiringan puncak anodik dan katodik dari Co₉S₈@NSC jauh lebih positif dan negatif daripada NSC, masing-masing, yang berarti bahwa D_Na+ dari Co₉S₈@NSC jauh lebih tinggi daripada NSC dalam proses penyisipan/ekstraksi Na⁺. Secara detail, ini dapat diatribusikan pada infiltrasi elektrolit yang baik dan lebih banyak situs aktif yang diekspos yang berasal dari luas permukaan spesifik Co₉S₈@NSC yang lebih besar.

Kesimpulan

Dalam rangkuman, morfologi ganda baru dari Co₉S₈, yang berisi nanobola berongga dan nanoserat, dengan pelapisan lapisan karbon terdop N,S telah berhasil disintesis menggunakan electrospinning koaksial diikuti dengan sulfurisasi dengan metode solvothermal dan karbonisasi. Karena luas permukaan spesifik yang lebih besar dan pelapisan karbon, Co₉S₈@NSC dapat menampung perubahan volume selama proses pengisian/charge. Lebih merata lagi, situs aktif yang berasal dari Co₉S₈ dan posisi terdop N,S tidak hanya dapat berkontak dengan lebih banyak elektrolit, tetapi juga mempercepat difusi Na⁺ dan reaksi reversibel antara Na⁺ dan Co₉S₈@NSC. Ketika digunakan sebagai bahan anoda, Co₉S₈@NSC dapat memberikan kapasitas spesifik reversible yang tinggi sebesar 318 mAh g⁻¹ setelah 800 siklus pada 1 A g⁻¹ dengan efisiensi coulomb yang tetap hampir 100%, sementara luas permukaan yang besar dan situs terdop N,S yang melimpah dapat mengarah pada kemampuan laju yang unggul. Studi ini menawarkan lebih banyak kemungkinan sulfida kobalt dalam merancang bahan anoda yang efektif untuk SIB.