隨著可再生能源技術的快速發(fā)展，鈉離子電池因鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢，成為鋰離子電池的重要替代。目前鈉離子電池正極材料普遍比容量相對較低，金屬硫化物由于具有理論比容量大，電子電導率高，電化學可逆性好等優(yōu)點，作為鈉離子電池電極材料受到了廣泛關注。但是，其作為儲鈉正極材料在充放電循環(huán)過程中面臨硫化物相熱力學穩(wěn)定性不足、多硫化物易溶于電解液導致活性物質流失等關鍵問題。因此，開發(fā)兼具高容量和長循環(huán)穩(wěn)定性的正極材料仍是該領域的重點研究方向。

高熵金屬硫化物（HEMS）材料憑借其獨特的結構穩(wěn)定性和組分可調性等優(yōu)勢，為高性能鈉離子存儲材料開發(fā)提供了新思路。高熵材料的固溶體結構可以保持元素均勻混合，有助于其在放電態(tài)下元素均勻混合不易團聚。然而，多組分高熵金屬硫化物的可控制備與性能調控機制研究仍面臨重大挑戰(zhàn)。

近日，復旦大學材料科學系孫大林教授、王飛教授、劉洋青年研究員團隊創(chuàng)新性提出兩步通用合成策略，成功構建了包含5至12種金屬元素的高熵硫化物納米晶材料庫，并揭示了其高效鈉存儲機制。相關成果以“High‐Entropy Metal Sulfide Nanocrystal Libraries for Highly Reversible Sodium Storage”為題發(fā)表于Advanced Materials期刊上。

該研究開發(fā)了一種普適性兩步溶劑熱合成方法，成功制備了涵蓋元素周期表中28種金屬元素的高熵金屬硫化物，實現(xiàn)了5-12種金屬陽離子的可控組合。計算表明，理論上該方法可合成的高熵金屬硫化物種類總數(shù)達7.7×10?種。通過密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD）模擬證實，兩步法能有效降低硫擴散過程中的能量勢壘，促進硫元素的均勻分布?；谲浻菜釅A理論建立的金屬前驅體轉化機制模型，為材料合成提供了理論指導。應用于儲鈉正極時，得益于較低的鈉離子遷移能壘和熱力學穩(wěn)定的形成能，7元高熵金屬硫化物（7-HEMS）正極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在3000次循環(huán)后仍保持230 mAh g?1的高可逆容量。深入研究表明，放電態(tài)下金屬元素的均勻混合是材料穩(wěn)定性的主要來源。該研究不僅拓展了高熵材料納米晶庫的構建方法，更為闡明高熵金屬硫化物的儲鈉穩(wěn)定性機制提供了重要理論依據(jù)。

圖1. 展示了制備的5-12元高熵金屬硫化物和儲鈉性能以及與其他已報道的儲鈉正極材料性能對比