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高性能储钠:ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料

钠离子电池以其钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等特点受到了人们的普遍关注,成为替代锂离子电池的首选。但是在充放电过程中,由于钠离子半径较大,在脱嵌时会导致体积膨胀,导致电极材料结构粉碎,进而导致较差的电化学性能。因此,对负极材料进行微观结构的优化设计,使其拥有稳定的结构和足够的空间来缓解体积和应力变化,确保钠离子顺利地嵌入和脱出成为钠离子电池负极材料的首要挑战。

高性能储钠:ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料

图1 ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料的合成示意图。

近期,山东大学尹龙卫教授等人以外包覆有RF碳凝胶的金属有机骨架ZIF-8为前驱体,通过Zn2+与S2−的硫化反应以及Zn2+和Sb3+之间的金属离子交换等过程,制备出ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料,用于钠离子电池负极,表现出良好的电化学性能。此成果发表在国际期刊ACS Nano上。

高性能储钠:ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料

图2 ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料:(a)CV图;(b)充放电曲线图;(c-d)不同充放电阶段的XRD图。

高性能储钠:ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料

图3 (a)ZnS-Sb2S3@C核-双壳十二面体复合材料的循环性能图;(b)ZnS-Sb2S3@C核-双壳复合材料的倍率性能图。

ZnS-Sb2S3@核-双壳十二面体复合材料作为钠离子负极材料,表现出高容量,高库仑效率以及良好的循环稳定性。在电流密度100mA/g下,ZnS-Sb2S3@C电极首次充放电比容量分别为1029和1675mAh/g,库伦效率高达61.4%;在电流密度100mA/g下,循环120圈后,比容量仍高达630 mAh/g;在电流密度分别100,200,400,800 mA/g下,比容量分别为1043,683.0,525.6,390.6 mAh/g,体现良好的倍率性能。

最后,作者对ZnS-Sb2S3@C双壳十二面体复合材料拥有如此优越的电化学性能作出解释:(1)碳层不仅可以缓解充放电过程体积膨胀问题,而且提高材料的导电性,进而提高电极的循环稳定性和倍率性能;(2)由ZnS内核和复合Sb2S3/C双壳构成复合材料有利于电解质的渗透和缩短了钠离子的扩散路径,进而提高电化学动力学和防止嵌钠/脱钠过程材料结构崩塌。这种基于MOFs制备金属硫化物的方法可以进一步扩展到设计其他用于高性能储能装置的纳米材料。

参考文献:

Shihua Dong, Caixia Li, Xiaoli Ge, Zhaoqiang Li, Xianguang Miao, and Longwei Yin. ZnS-Sb2S3@C Core-Double Shell Polyhedron Structure Derived from Metal−Organic Framework as Anodes for High Performance SodiumIon Batteries, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b03321.   

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