二次電池已在日常生活中廣泛使用，導(dǎo)致對(duì)長(zhǎng)壽命和高能量堿金屬離子（Li⁺、Na₊、K⁺）電池的需求不斷增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)具有大通道和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Na⁺和K⁺遷移電極材料至關(guān)重要，探索適用于堿金屬離子電池的合適電極仍然存在瓶頸。

在此，華南理工大學(xué)劉軍教授等人設(shè)計(jì)合成了一種出色的蛋黃殼ZnS@C納米棒電極，通過自犧牲模板方法引入了相當(dāng)大的空隙空間。詳細(xì)的制備過程如下：首先，使用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為表面活性劑，通過傳統(tǒng)的水熱法獲得Zn₂GeO₄納米棒。之后，采用有機(jī)聚多巴胺（PDA）對(duì)獲得的納米棒進(jìn)行均勻的表面包覆。

經(jīng)過簡(jiǎn)單的熱解后，PDA涂層外殼轉(zhuǎn)變?yōu)镹摻雜碳，形成核殼型Zn₂GeO₄@C納米棒。最后，以Zn₂GeO₄@C為自犧牲模板，通過水熱硫化和選擇性溶解Ge源制得蛋黃殼ZnS@C。這種碳封裝的納米棒緩和了整體電子導(dǎo)電性，從而確保了快速的堿金屬離子/電子傳輸。此外，納米棒的多孔結(jié)構(gòu)賦予了足夠的空隙空間以減輕由堿金屬離子的嵌入/脫出引起的體積應(yīng)力。

圖1. 蛋黃殼ZnS@C納米棒形成的示意圖及表征

由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，這些蛋黃殼ZnS@C納米棒在鋰離子電池中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能（1.0 A g^-1下540次循環(huán)后容量為 740 mAh g^-1）。當(dāng)用于鈉離子存儲(chǔ)時(shí)，蛋黃殼ZnS@C電極在1.0 A g^-1下進(jìn)行100次循環(huán)后具有250.5 mAh g^-1的容量。作為紐扣型鉀離子電池負(fù)極時(shí)，ZnS@C電極實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)壽命，在1.0 A g^-1下5700次循環(huán)后提供211.1 mAh g^-1的高容量。

動(dòng)力學(xué)分析表明，這些具有相當(dāng)大贗電容貢獻(xiàn)的ZnS@C納米棒有利于快速鋰化/脫鋰。詳細(xì)的TEM和XRD分析表明，這種蛋黃殼ZnS@C負(fù)極是通過合金化過程實(shí)現(xiàn)的典型可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行儲(chǔ)能?？傊@種合理的設(shè)計(jì)策略為開發(fā)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)能材料打開了一扇窗。

圖2. 用于鉀離子電池的蛋黃殼ZnS@C的電化學(xué)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