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柔性ReS2纳米片/N掺杂碳纳米纤维在碱金属离子电池中的应用

碱金属离子电池(锂,钠,和钾)已经被大规模应用在电子设备和电动汽车上了,但是关于这三种电池通用负极材料的研究还比较少。而ReS2由于其典型的层状结构和较弱的层间作用力,可以容易地嵌入Li+,Na+, 和K+。但是由于导电性差,而且在转化反应过程中存在大的体积变化,ReS2的循环性能受到较大影响。最近,马里兰大学王春生教授课题组和湖南大学马建民教授课题组通过电纺和水热法将ReS2纳米片生长在氮掺杂的碳纤维上,形成了柔性ReS2/N-CNFs。其中,碳纤维可以提高导电性,氮掺杂可以吸附ReS2在转化反应过程中形成的多硫离子。当被用做LIBs,NIBs和KIBs的负极时,ReS2/N-CNFs均表现出优异的电化学性能。除此之外,本文将库伦效率,SEI的形成,和电池的阻抗联系起来,进行了定性分析。该文章发表在国际顶级能源期刊Nano Energy上。

柔性ReS2纳米片/N掺杂碳纳米纤维在碱金属离子电池中的应用

图1. 层状ReS2的结构示意图。(a) 侧视图。(b) 俯视图.

ReS2具有典型的层状结构,层间距为0.614nm, 与MoS2接近(0.615 nm)。但是其层间作用力比MoS2小很多,更有利于离子的扩散。

柔性ReS2纳米片/N掺杂碳纳米纤维在碱金属离子电池中的应用

图2. ReS2/N-CNFs的TEM mapping图.

柔性ReS2纳米片/N掺杂碳纳米纤维在碱金属离子电池中的应用

 图3. ReS2/N-CNF在 (a) LIBs, (b) NIBs, 和(c) KIBs中的循环性能.

ReS2/N-CNF被用作LIBs, NIBs,和KIBs负极时均表现出优异的电化学性能。在LIBs中,经过400圈的循环之后,ReS2/N-CNF仍可以维持440 mA h/g的容量。在NIBs中,经过800 圈的循环后,容量为245 mA h/g;而在KIBs中,循环100 圈之后,其容量可以维持在253 mA h/g. 对于纯ReS2而言,不管容量还是循环稳定性都相应地比ReS2/N-CNF要差。

柔性ReS2纳米片/N掺杂碳纳米纤维在碱金属离子电池中的应用

 图4. ReS2/N-CNF和ReS2的阻抗分析,分别在 (a) LIBs, (b) NIBs, 和 (c) KIBs.

从图4中可以看出,经过100 个充放电循环之后,从LIBs, NIBs, 到KIBs,ReS2/N-CNF的SEI阻抗逐渐变大。这可能跟Na和K离子比Li离子通过各自的SEI遇到的阻力更大有关。 更重要的是,ReS2/N-CNF在NIBs和KIBs中循环100圈之后可能生成了更多的SEI,循环后的SEM图证明了这一点。除此之外,由于很大一部分的SEI在第一个循环时生成,更多的SEI也会对应着更低的首圈库伦效率,LIBs (73.9%), NIBs (70.9%), 和KIBs (67.3%).

材料制备过程

0.43g PAN 加入到6mL的DMF中,60℃下搅拌两个小时,形成透明的液体。将该液体转移到注射器中进行电纺,保持推进速度为0.2 mL/h, 注射器针头距离收集板15cm, 加11-14 kV的高压。将获得的纳米纤维在230℃空气中预处理6h, 然后在氩气中720℃退火2h后,得到氮掺杂的碳纳米纤维 (N-CNFs).

将66 mg NH4ReO4和120 mg C2H5NS溶解到 40 mL 水中,再加入C6H12N4搅拌直至溶解。然后将40mgN-CNFs 加入到上述溶液中, 220℃下水热48h, 得到ReS2/N-CNFs.

Minglei Mao, Chunyu Cui, Mingguang Wu, Ming Zhang, Tao Gao, Xiulin Fan, Ji Chen, Taihong Wang, Jianmin Ma, Chunsheng Wang, Flexible ReS2 Nanosheets/N-doped Carbon Nanofibers-Based Paper as a Universal Anode for Alkali (Li, Na, K) Ion Battery, Nano Energy, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.01.001

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