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高性能锂离子电池和钠离子电池负极:立方结构的SnTe

Sn基材料由于高的理论比容量,高的锂合金、钠合金相(Li4.25Sn:959.5 mAh/g; Na3.75Sn:846.6 mAh/g)被认为是极具潜力的高容量锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(NIBs)负极材料。但此类材料目前最大的问题就是充放电过程体积变化大导致电极材料粉化破碎,电池容量快速衰减和差的循环性能。

Te,硫族元素,与Li和Na形成Li2Te和Na2Te合金。与其他硫族元素(S,Se)相比,质量比容量较小,但体积比容量较大(2621 mAh/cm^3)。SnTe的密度为6.445 g/cm^3,高于部分Sn基材料,因此拥有较高的体积容量。鉴于此,韩国金乌国立工科大学Cheol-Min Park首次通过固态球磨工艺合成出用于高性能锂钠负极材料的立方结构SnTe,此成果发表在国际知名期刊ACS Nano上。

高性能锂离子电池和钠离子电池负极:立方结构的SnTe

图1 SnTe电极在锂离子电池的电化学表征和相变机理:(a)SnTe电极的差分容量图;(b)SnTe电极的CV图;(c)SnTe电极在首次脱嵌锂过程的非原位XRD图;(d)SnTe电极在首次脱嵌锂过程的EXAFS图;(e)SnTe电极在脱嵌锂过程的机理图。

高性能锂离子电池和钠离子电池负极:立方结构的SnTe

图2 SnTe电极在钠离子电池的电化学表征和相变机理:(a)SnTe电极的差分容量图;(b)SnTe电极的CV图;(c)SnTe电极在首次脱嵌钠过程的非原位XRD图;(d)SnTe电极在首次脱嵌钠过程的EXAFS图;(e)SnTe电极在脱嵌钠过程的机理图。

 在锂离子电池中,基于非原位分析,SnTe电极经历了转化和合金化反应转换为Li2Te Li2Te相,然后重新组合成原始的SnTe相。SnTe电极在嵌锂/脱锂期间的相变机理总结以下化学式:

嵌锂过程: SnTe→Sn + Li2Te→Li4.25Sn + Li2Te

脱锂过程: Li4.25Sn + Li2Te→Sn + Li2Te→SnTe

在钠离子电池中,基于非原位分析,SnTe电极在嵌钠/脱锂期间的相变机理总结以下化学式:

嵌钠过程:SnTe→NaxSnTe(X≤1.5)→a—Sn + Na2Te→Na3.75Sn + Na2Te

脱钠过程:Na3.75Sn + Na2Te→ a—Sn + Na2Te→NaxSnTe(X≤1.5)→SnTe

高性能锂离子电池和钠离子电池负极:立方结构的SnTe

图3 SnTe/C电极在锂离子电池和钠离子电池中的电化学性能:(a)SnTe电极,SnTe/C电极和石墨在锂离子电池中的质量容量循环性能图;(b)SnTe/C电极和石墨在锂离子电池中的体积容量循环性能图;(c)SnTe/C电极和石墨在锂离子电池中的倍率性能图;(d)SnTe电极,SnTe/C电极和硬碳在钠离子电池中的质量容量循环性能图;(e)SnTe/C电极和硬碳在钠离子电池中的体积容量循环性能图;(f)SnTe/C电极和硬碳在钠离子电池中的倍率性能图。

SnTe/C复合材料作为锂离子电池负极,表现出良好的电化学性能。在锂离子电池脱嵌锂过程中,SnTe/C电极表现出高的锂嵌脱容量654/800 mAh/g,库伦效率为81.8%;循环稳定性优异,在100次循环后,容量保持率为99%;优越的倍率性能,在电流密度3C下,容量仍维持在1048 mAh/cm^3。SnTe/C复合材料作为钠离子电池负极,同样表现出优良的电化学性能。SnTe/C电极表现出高的钠脱嵌容量339/541 mAh/g,库伦效率为62.7%;优良的循环稳定性,在100次循环后,容量保持率为99.1%;倍率性能优越,在电流密度3C下,容量仍维持在430 mAh/cm^3。

材料制备过程:

Sn,Te粉末和不锈钢球置于充满氩气80ml硬化钢瓶,球磨6h。其中,粉末和球的质量比为1:20。SnTe与炭黑经过相同的固态球磨工艺,得到SnTe/C复合材料,其中SnTe与炭黑的最优比例为60:40。

参考文献:

Ah-Ram Park and Cheol-Min Park, CubicCrystal-Structured SnTe for Superior Liand Na-Ion Battery Anodes, ACS Nano: DOI:10.1021/acsnano.7b02039.

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