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基于碳纤维/含氧缺陷二氧化锡的高容量长寿命钠离子电池负极材料

【引言】

钠离子电池因具有较高的能量密度、优良的循环性能和丰富的钠资源储量而发展迅速。开发具有高充放电容量、倍率性能和使用寿命的电极材料是提高电池性能的关键。近年来,SnO2由于其高能量密度和无毒性而备受关注。然而,材料较低的本征电导率以及在充放电过程中较大的体积膨胀效应限制了其实际应用。现有报道通过将SnO2纳米化或与导电碳材料复合能够提高材料的循环稳定性和效率;然而,其本征导电性并未得到有效提高,故难以获得较高的循环寿命和倍率性能。

成果简介】

近日,深圳大学的张培新教授课题组与佐治亚理工学院的林志群教授合作,通过调控静电纺丝碳纤维中包覆的氧化锡颗粒的氧缺陷掺杂,还利用纤维内部的多孔结构有效地抑制活性材料的体积膨胀,极大地提高了材料的倍率性能和循环稳定性。该文章发表在化学领域国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上     

【图文解读】

基于碳纤维/含氧缺陷二氧化锡的高容量长寿命钠离子电池负极材料

基于碳纤维/含氧缺陷二氧化锡的高容量长寿命钠离子电池负极材料  图1. SnO2-x/C复合材料的,(a) 合成示意图,(b) SEM图像,(c,d,e) TEM图像。

SnO2-x/C纳米复合材料作为SIBs负极时电化学性能,在0.1A/g的电流密度下,300次循环后容量高达634mAh/g,容量保持率为96.9%(与第二次循环放电容量相比)。在0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0A/g的电流密度下容量分别为646, 608, 548, 440和340mAh/g;当电流密度恢复到0.1A/g时,容量恢复并保持在630mAh/g。更为重要的是,当电流密度为1A/g时,SnO2-x/C纳米复合材料经2000次循环后容量可达565 mAh/g,与之相比SnO2材料经800次循环后容量仅为57 mAh/g。

基于碳纤维/含氧缺陷二氧化锡的高容量长寿命钠离子电池负极材料

图2. SnO2-x/C复合材料对SIBs的电化学性能; (a) 在0.1A/g电流密度下的循环性能合成示意图,(b)在0.1至5A/g下的充/放电特性,(c,d) CV曲线,(e)在1A/g电流密度下进行2000次循环的循环性能和库仑效率。

 随后,作者通过准原位XRD测试研究了其储能机理,并给出其表现出优异电化学性能的可能原因:(1)氧缺陷掺杂能够提高SnO2材料的本征导电性,有助于提高其倍率性能;(2)一维的碳纤维材料具有较高的导电性,而其交错形成的三维网络则为离子和电子提供了良好的通道,此外,碳纤维材料较好的机械性能也可以减轻循环期间材料的体积变化以确保结构的完整性;(3)碳纤维材料内部具有合理的孔结构,能够缓冲SnO2材料在充放电过程中的体积变化,提高其结构稳定性。

基于碳纤维/含氧缺陷二氧化锡的高容量长寿命钠离子电池负极材料

图3. (a) SnO2-x/C复合材料的准原位XRD图谱;(b) SnO材料和 (c) SnO2-x/C复合材料的储钠机理示意图。

 【材料制备】

将1.4g PAN和25mg F127溶于15ml DMF中,搅拌直至变为均匀溶液。紧接着,将0.9g SnO2纳米颗粒和80mg 硫粉加入上述溶液中,超声分散并搅拌10h后得到PAN/F127/S/SnO2/DMF 纺丝溶液。以铝箔为接收基底,在电压为14 kV, 供液速率为1.5ml/h, 接收距离为15cm的条件下静电纺丝,纺丝结束后将前驱体无纺布薄膜从铝箔上轻轻揭下,并置于80的真空条件下干燥。将干燥后的薄膜进行热处理,先在空气中加热至280,保温4h,后浸入CS2溶液中5h去除残余硫,再在N2气氛中加热至650℃,保温6h后自然冷却,即可得到多孔SnO2-x/C纳米纤维。

该工作得到国家自然科学基金(51774203), 广东省教育厅项目 (2016KTSCX124),深圳市科技计划 (JCYJ20160422112012739,KQJSCX20170327151152722)的资助。

 Dingtao Ma, Yongliang Li, Hongwei Mi, ShanLuo, Peixin Zhang*, Zhiqun Lin*, Jianqing Li, Han Zhang, Robust SnO2-xNanoparticle-Impregnated Carbon Nanofibers with Outstanding ElectrochemicalPerformance for Advanced Sodium-ion Batteries, Angewandte Chemie InternationalEdition, DOI: 10.1002/anie.201802672

 

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