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ACS Nano|见过碳纳米管,那么SnO2/NiO纳米管呢?

ACS Nano|见过碳纳米管,那么SnO2/NiO纳米管呢?

自1997年Miyasaka发明了过渡金属氧化物负极,因其比传统的石墨负极拥有更高理论容量、安全性以及改善的倍率性能而广受关注。高容量和长循环寿命组合被视作下一代锂离子电池首要特性,为了满足这一需求,来自Korea Advanced Insitude和Ulsan National InstituteKim等人先后使用静电纺丝快速退火和化学还原相结合的方式合成了一种Ag纳米颗粒修饰的介孔SnO2/NiO纳米管(m-SNT),并将其研究成果发表于国际高级期刊ACS Nano(IF=13.334;2016年)上。

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图1.m-SNT@Ag的TEM图以及所含元素mapping图

这种一维材料不仅能够有效减缓循环期间体积膨胀所导致的倍率性能衰退问题,而且还能缩短锂离子迁移路径。另外,循环过程中由NiO纳米颗粒转化而来的金属Ni纳米颗粒能够显著提高m-SNT负极的可逆容量;均匀修饰在m-SNT表面上的Ag纳米颗粒不仅可以显著改善倍率性能并且有助于提高循环寿命

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图2.m-2.5SNT@Ag和m-5SNT@Ag电化学性能测试

电化学测试表明[1],m-SNT@Ag纳米颗粒在1000mA/g的高电流密度下循环500次,容量仍达826mAh/g,表现出优异的循环稳定性。此外,在5000mAh/g的超高电流密度下,充电比容量仍然高达721mAh/g,相当于100mA/g电流密度下的初始容量的60%

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图3.SNC, m-SNT以及m-SNT@Ag的电化学性能

与此同时,作者还对m-SNT@Ag所表现处的优异电化学性能做出了解释;

首先,由NiO转化为金属Ni的纳米晶格存在缺陷,从而导致其拥有较高可逆容量;

其次,采用Ag纳米颗粒包覆,在提高SnO2电导率的同时,又不会造成使用碳源包覆所导致的SnO2还原问题,从而改善倍率性能和循环寿命;

最后,m-SNT@Ag的1D结构在循环过程具有较低的的体积膨胀率(26%),由此减弱了SEI膜的形成,在提高容量的同时也延长了循环寿命。

材料制备

m-SNTs的合成:将0.7g PVP,0.5g SnCl·2H2O,0.3g Ni(NO3)2·6H2O溶于5g相同质量的DMF和乙醇的混合溶液[2]。然后磁力搅拌(500 rpm)12h以形成均匀透明的静电纺丝溶液,紧接着将其注入到塑料注射器中,并使用20cm的不锈钢箔将其固定在直径8cm的圆柱形收集器上。在静电纺丝期间,将高压直流电源与注射器的不锈钢针(21号 )连接并在尖端施加15.5Kv的高压。随后将流速调节至0.3ml/min,圆柱形收集器的旋转速度调节至100rpm。(静电纺丝在25°C恒温和30%的相对湿度下进行,在纺丝工艺之后使用剃刀片从不锈钢箔上刮下纤维并转移到氧化铝坩埚中,在马弗炉中以10°C/min升温至700°C煅烧1h)。

多孔中空SnO2/NiO纤维负载Ag纳米颗粒:将0.25g多孔中空SnO2/NiO纤维分散于50°C的30ml乙醇中,随后将5mM AgNO3和5mM 丁胺加入到上述溶液中并搅拌10min。随后将溶液离心,并使用2倍的无水乙醇洗涤,最后在70°C的鼓风干燥箱中干燥12h。

SnO2和NiO纤维的合成:SnO2纤维(NiO纤维)的合成使用上述相同的静电纺丝和空气煅烧方式。首先将0.7g PVP和0.5g SnCl2·H2O(Ni(NO3)2·6H2O)溶于5g相同质量的DMF和乙醇的混合溶液,然后重复上述步骤。

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图4.m-SNT@Ag的合成示意图

注:

[1]指的是m-SNT@Ag中w(SnO2)/w(NiO)=2.5时具有最佳电化学性能。

[2]指的是制备m-2.5SNTs,当制备m-5SNTs时则将 Ni(NO3)2·6H2O质量减半。

Chanhoon Kim, Ji-WonJung, Ki Ro Yoon, et al, A High-Capacity and Long-Cycle-Life Lithium-Ion BatteryAnode Architecture: Silver Nanoparticle-Decorated SnO2/NiO Nanotubes, ACS Nano(2016), DOI: 10.1021/acsnano.6b06512 

 

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