SnS₂材料由于具有高比容量的层状结构，在电化学储能领域引起了广泛的关注。然而，在充放电循环过程中，其易于重新堆叠的性质导致电极结构不稳定，容量严重下降。本文报道了一种简单的一步水热合成SnS₂/石墨烯/ SnS₂（SnS₂/rGO/SnS₂）复合材料的方法，该方法是在还原石墨烯两侧通过C-S键共价修饰超薄SnS₂纳米片。由于石墨烯夹在两个SnS₂片之间，复合材料的SnS₂层间距增大（~8.03Å），这有利于Li⁺/Na⁺离子的嵌入/脱出，提高传输动力学，同时抑制充放电过程中SnS₂纳米片的堆积。 密度泛函理论计算揭示了夹层状复合材料中间层间距最稳定的状态。分子模拟和实验观测Li/Na离子的扩散系数结果表明，该状态最适合离子的快速传输。此外，固定在石墨烯片上的大量超级SnS₂纳米粒子可以对复合材料产生赝电容贡献，特别是在大电流密度下；即使在10 A g^-1电流密度下，锂/钠离子电池中也能保证844和765 mAh g^-1的高倍率性能。在200次循环后形貌几乎未变化，并且SnS₂纳米颗粒仍然可以恢复到原始相且未发生明显的附聚，表明这种具有高倍率和优异的循环稳定性的复合材料是锂/钠储存的理想选择。


 Figure 1. SnS₂/rGO/SnS₂复合材料的(a) XRD图和(b) TEM图；(c)夹层状结构示意图；(d-f)XPS图。


Figure 2. (a)夹层状结构SnS₂/rGO/SnS₂的分子模型；SnS₂/rGO/SnS₂复合晶体中(b)系统能量对层间空间的依赖性和(c)含有Li⁺/Na⁺的1×2×1超晶胞模型；(d) Li⁺和Na⁺的扩散系数与层间空间的关系。


Figure 3. SnS₂/rGO/SnS₂复合材料的形貌和结构表征。(a)TEM图；(b)亮场图像和(c)暗场图像；(d,e) HRTEM图；(f)SAED模式；(g)高角度环状暗场图像及其对应的Sn、S、C元素映射；(h) AFM图像及相应高度剖面。


Figure 4. SnS₂/rGO/SnS₂的锂离子电池电化学性能。(a)扫描速率为0.1 mV s^-1的CV图；(b) 0.1 A g^–1下的充放电曲线；(c) 0.1 A g^–1下的循环性能；(d)循环时的差别充电容量图；(e)在 0.01–1.0和1.0-3.0 V电位范围内发生的可逆充电容量与循环；(f)不同电流密度下的倍率性能；(g)在1 A g^–1下的循环性能。


Figure 5. SnS₂/rGO/SnS₂的钠离子电池电化学性能。(a)扫描速率为0.1 mV s^-1的CV曲线；(b)电流密度0.1 A g^–1下的充放电曲线；(c) 0.1 A g^–1下的循环性能；(d)不同电流密度下的倍率性能。


Figure 6. 钠储存行为的定量电容分析。(a)不同扫面速度下的CV曲线；(b)对数阴极/阳极峰值电流与对数扫描速率之间的关系；(c)不同扫描速率下电容容量的整体贡献率；(d)0.8 mV s^-1时电容性贡献(红色)和扩散贡献(蓝色)。


Figure 7. SnS₂/rGO/SnS₂电极经过200次充放电循环后的形貌和结构特征。(a) TEM图和(b,c)HRTEM图；(d)高角度环状暗场图像及其对应的C、Sn、S元素映射。
相关研究成果于2019年由上海大学Jiujun Zhang课题组，发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.9b03330） 上。原文：Sandwich-Like SnS₂/Graphene/SnS₂ with Expanded Interlayer Distance as High-Rate Lithium/Sodium-Ion Battery Anode Materials