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赝电容辅助钠离子快速存储:二维超薄SnO纳米阵列

目前已商业化使用的锂离子电池负极石墨材料并不适用于钠离子电池中,因此寻找具有高储钠负极材料的难题必须解决。Sn基材料因具有较高的比容量,在众多材料脱颖而出。其中,层状结构的SnO拥有较大的层间距,适合钠离子的脱嵌,但是由于其不稳定,难以制备,因此相关的研究较少。

为此,南洋理工大学申泽骧等人通过气相沉积和水热法合成出二维超薄SnO纳米片阵列/石墨烯泡沫/碳纳米管(GF/CNTs@SnO)复合材料,并将其用于钠离子电池负极。GF/CNTs@SnO表现出优越的倍率性能和循环性能。此成果近日发表在国际期刊Adv. Funct. Mater. 上(影响因子:11.382)。

赝电容辅助钠离子快速存储:二维超薄SnO纳米阵列

图1.(a-c)材料制备过程示意图;(d-f)GF/CNTs@SnO的SEM图。

赝电容辅助钠离子快速存储:二维超薄SnO纳米阵列

图2.(a)具有连续电子和Li/ Na离子传输通道的GF/CNTs@SnO电极的示意图;GF/CNTs@SnO电极在不同电流密度的充放电曲线图(b),倍率性能图(c);电流密度为0.1A/g,1A/g时循环性能图(d-e)和 CV图(f);(g)GF@SnO 和GF/CNTs@SnO电极的阻抗图。

GF/CNTs@SnO作为钠离子电池负极时,在大电流密度2A/g,10A/g下,比容量分别高达302mAh/g,170mAh/g,体现了其良好的倍率性能。在电流密度为0.1A/g时,循环600次后,容量为540 mAh/g(容量保持率91%);当电流密度升至1A/g时,循环1000次后,容量为395 mAh/g(容量保持率为75%),这充分体现了GF / CNTs @ SnO电极高的储钠性能和循环稳定性。

赝电容辅助钠离子快速存储:二维超薄SnO纳米阵列

图3 (a-c)GF/CNTs@SnO的HRTEM图;(d)充放电前后的拉曼图;(e)具有空间群I-43d的Na15Sn4晶胞;(f)Na15Sn4的声子谱图。

GF / CNTs@SnO电极拥有如此优良的电化学性能,作者给出如下解释:

  1. 三维GF /CNT可作为SnO纳米片生长的支架和无需粘结剂的集流体。GF /CNT具备表面积高,电导率高以及孔隙率高的“三高”特性,非常有利于电子和离子的传输。使用GF /CNT作为SnO纳米片载体,还能显著增加电池的重量和体积密度。

  2. SnO的层状结构不仅有利于钠离子脱嵌,而且还可缩短电子/离子扩散迁移路径,增强钠离子扩散和电荷转移动力学。

  3. GF/CNTs@SnO的分层结构有利于缓解充放电过程材料体积的变化,防止锡颗粒的漂移和粗化,抑制电子传导的损失,减轻电极结构损坏,提高电极的循环稳定性。

材料制备过程:

  1. GF和GF / CNT混合膜:首先,通过气相沉积法制备GF。1 mmol Ni(NO3)2 • 6H2O和2 mmol Co(NO3)2 • 6H2O加入40mL的去离子水中,搅拌,随后加入12 mmol尿素。GF加入上述溶液中,转移至反应釜中(120℃,2h),得到GF/NiCo前驱体。接着,GF/NiCo在350 °C空气中煅烧3-5min,转至C2H4,H2和Ar气氛下750℃下煅烧,得到GF/CNTs混合膜。

  2. GF/CNTs@SnO纳米片:GF /CNT在HNO3溶液中120℃预处理12h。1 mmol SnCl2·H2O和15 mmol 尿素加入50mL去离子水中,超声30min后,搅拌30min得到黄色溶液。接着上述溶液转移至100mL反应釜中,再加入预处理过的GF/CNT,180℃下加热12h。最后,水热过程得到的样品在空气中400℃煅烧4h,即可得到GF/CNTs@SnO纳米片。

参考文献:

Minghua ChenDongliang Chao, Jilei Liu,Jiaxu Yan, Bowei Zhang, Yizhong Huang, Jianyi Lin, and Ze Xiang Shen. Rapid Pseudocapacitive Sodium-Ion Response Induced by 2D Ultrathin Tin MonoxideNanoarrays, Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201606232. 

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参考文献:

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