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高性能储钠:CoS纳米颗粒/多孔碳纳米棒复合物

因钠资源更为廉价、易得的优势,钠离子电池成为替代锂离子电池的首选,并有望在智能电网等大规模储能应用中发挥巨大作用。由于钠离子比锂离子具有更大的离子半径,钠离子存储的高性能负极材料的开发成为制约钠离子电池应用的关键因素之一。过渡金属硫化物CoS理论比容量为589 mAh/g,是一种很有潜力的钠离子电池负极材料。但是由于CoS导电性差以及在循环过程中体积变化大,导致其不可逆容量损失大,容量衰减快,循环稳定性及倍率性能差,进而限制了CoS的进一步商业化。

高性能储钠:CoS纳米颗粒/多孔碳纳米棒复合物

图1. (a) 7-CoS/C复合材料的合成流程图, (b) 7-CoS/C复合材料的储钠机理图; (c) 7-CoS/C 和18.5-CoS/C复合材料的XRD图; (d) 六方晶系CoS的晶体结构; (e) 7-CoS/C复合材料SEM图; (g-h) 7-CoS/C复合材料的TEM图; (i) 7-CoS/C复合材料的EDS mapping图。

针对上述问题,武汉理工大学麦立强教授等人通过原位碳化和金属有机框架硫化过程使超细CoS纳米颗粒(7nm)嵌入多孔纳米棒中,得到7-CoS/C复合材料,作为钠离子电池负极材料,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Nano Energy上(影响因子:11.553)。

高性能储钠:CoS纳米颗粒/多孔碳纳米棒复合物

图2 (a)7-CoS/C和 18.5-CoS/C电极的循环性能图; (b) 7-CoS/C和18.5-CoS/C电极的倍率性能图; (c) 7-CoS/C电极的平均电压vs电流密度平方根图; (d) 18.5-CoS/C电极的平均电压vs电流密度平方根图; (e) 与其它钠离子电极材料比较图; (d) 7-CoS/C电极的充放电曲线图。

高性能储钠:CoS纳米颗粒/多孔碳纳米棒复合物

图3 电流密度为0.5A/g时,Na3V2(PO4)3/7-CoS/C全电池的充放电曲线(a), 循环性能(b)。

作为钠离子电池负极,7-CoS/C表现出良好的储钠性能,超长的循环稳定性以及优越的倍率性能。在电流密度1A/g,循环2000次,比容量仍高达542mAh/g,容量保持率为91.4%;当电流密度为5A/g时,比容量为510mAh/g;电流密度为40 A/g时,比容量为356 mAh/g。以Na3V2(PO4)3为正极组装成全电池,在电流密度0.5A/g下,100次循环后,比容量为352mAh/g。

随后,作者解释了7-CoS/C电极表现出优异的电化学性能的原因:(1)超薄石墨碳层不仅可以增强电子传导性,而且作为支撑基质,减少机械压力和纳米颗粒界面的阻抗;(2)超细晶粒缩短了扩散距离,有利于钠离子的脱嵌;(3)多孔一维结构可以缓解钠离子脱嵌过程的体积变化,还为电解质提供更多的运输通道;(4)原位碳化和硫化的嵌入式纳米结构,抑制电极材料的聚集,剥离和降解,最大程度地提高电极的稳定性和电化学性能

材料制备过程:

0.876g Co(NO3)2·6H2O,0.663g 1,3,5-苯三甲酸和0.576g  4,4′-联吡啶溶解在60mL二甲基甲酰胺(DMF)中,搅拌30min后,转至反应釜,120℃下反应4h。得到的产物用无水乙醇和DMF洗涤,然后在80℃下干燥12h,得到Co-MOF。接着Co-MOF和升华硫在真空气氛下,600℃煅烧2h,得到7-CoS/C复合物。作为比较,在800℃下煅烧得到18.5-CoS/C复合物。

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