開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于鋰離子
電池顯得尤為迫切。本文利用微波等離子體技術(shù)成功地將SnO2/NGA轉(zhuǎn)化為三元鈉離子
電池負(fù)極SnO2@Sn/NGA。該負(fù)極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,較高的比容量,卓越的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。這種獨(dú)特的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)可以推廣到其他合金型負(fù)極材料并應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池中。
隨著化石燃料不斷消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重,尋找環(huán)境友好型儲(chǔ)能技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵。鈉離子電池(SIBs)作為鋰離子電池(LIBs)的替代品且資源豐富,價(jià)格低廉逐漸受到人們的青睞。不幸的是,由于鈉離子半徑的限制,商用石墨(SIBs:372mAh g-1)并不能提供滿意的儲(chǔ)鈉容量。因而,開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于SIBs就顯得尤為迫切。鑒于此,兼具高比容量(667mAh g-1)、適中電化學(xué)窗口,環(huán)境友好的SnO2被用作負(fù)極材料而廣泛研究。然而,SnO2在后續(xù)電池循環(huán)使用過(guò)程中除了材料自身體積膨脹和低電導(dǎo)率問(wèn)題之外,還出現(xiàn)了其自身難以克服的問(wèn)題:(1)轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成的Na2O(SnO2+ 4Na++ 4e- ⇌ Sn +2Na2O)會(huì)造成較大的不可逆容量損失和較低的初始庫(kù)倫效率。雖然Na2O具有防止顆粒團(tuán)聚的作用,但是不穩(wěn)定的Sn/Na2O界面不能阻止相分離和自聚集,從而大大降低了反應(yīng)的可逆性。(2)循環(huán)過(guò)程中Sn顆粒逐漸團(tuán)聚進(jìn)一步減慢Na+在后續(xù)合金反應(yīng)中的擴(kuò)散(Sn+ xNa++ xe- ⇌ NaxSn)。
近期,南京郵電大學(xué)余柯涵教授(通訊作者)等通過(guò)微波等離子體工藝,巧妙構(gòu)筑了核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn/氮摻雜石墨烯氣凝膠(SnO2@Sn/NGA),在電池第一次放電過(guò)程中就獲得了穩(wěn)定的Na2O@Sn界面,大大提高了轉(zhuǎn)化反應(yīng)的可逆性;同時(shí),較薄的Na2O層不僅可以促進(jìn)Na+的擴(kuò)散,又能很有效地防止Sn粒子的團(tuán)聚。此外,等離子體減少了石墨烯中的含氧官能團(tuán),使其導(dǎo)電性和電化學(xué)性能得到了明顯的改善;谶@些優(yōu)點(diǎn),SnO2@Sn/NGA作為負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能。相關(guān)成果以“Plasma-enabled ternary SnO2@Sn/nitrogen-doped graphene aerogel anode for sodium-ion batteries” 為題發(fā)表在CHEMELECTROCHEM,并入選封面論文。論文第一作者為研究生馬裕杰。
論文鏈接:https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202000197
圖1、通過(guò)水熱合成反應(yīng)以及微波等離子體工藝合成SnO2@Sn/NGA的示意圖。
圖2、SnO2@Sn/NGA的形貌和結(jié)構(gòu)表征。(a)SnO2/NGA的SEM圖像,(b-c)SnO2@Sn/NGA的SEM和TEM圖像,(d-f)SnO2@Sn/NGA的HRTEM圖像和元素分布圖像。
圖3、XPS分析以及XRD和Raman表征(a)SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XPS全譜,(b-e)Sn3d和C 1s的高分辨率XPS光譜,(f)SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XRD衍射譜,(g)SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的拉曼光譜。
圖4、SnO2@Sn/NGA負(fù)極組裝電池的電化學(xué)性能測(cè)試(a)SnO2@Sn/NGA的CV曲線,(b)SnO2@Sn/NGA的充放電曲線,(c-d)SnO2@Sn/NGA和對(duì)照樣品的循環(huán)曲線和倍率曲線,(e)SnO2@Sn/NGA不同電流密度下循環(huán)曲線,(f)SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的交流阻抗曲線。
圖5、電極使用后的SEM表征。2A g-1循環(huán)200圈后的電極(a-d)SnO2@Sn/NGA,(e-h)SnO2/NGA。
總之,本文利用微波等離子體技術(shù)成功地將SnO2/NGA轉(zhuǎn)化為三元鈉離子電池負(fù)極SnO2@Sn/NGA。核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn保證了Na2O可以通過(guò)多種方式改善負(fù)極的電化學(xué)性能,特別是防止顆粒團(tuán)聚,穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu),改善Na+擴(kuò)散途徑,保證Sn⇌SnO2的可逆轉(zhuǎn)化。因此,該負(fù)極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,較高的比容量,卓越的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。同時(shí),隨著NGA石墨化程度的提高進(jìn)一步促進(jìn)倍率性能。此外,這種獨(dú)特的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)可以推廣到其他合金型負(fù)極材料并應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池中。(感謝韋瑋教授研究團(tuán)隊(duì)的解讀)
(責(zé)任編輯:子蕊)