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非均相MAX @ C-NTO复合物的高温储钠性能

钠离子电池(SIBs)由于具有成本低、原材料丰富、环境友好等优点,已经成为代替锂离子电池的研究热点。由于钠离子半径大于锂离子半径,使得原本适用于锂离子电池的石墨不再适用于钠离子电池;有机材料、金属合金和金属氧化物等替代品虽然可以提高储钠性能,但是由于差的导电性和大的体积波动又限制了他们的循环性能。另外,锂离子电池差的高温性能也限制了其更为广泛的应用范围。近日,燕山大学彭秋明教授研究团队发现钠离子在高温下具有更快的迁移速度,他们通过微波辅助碱处理Ti3SiC2前体制备出了含Ti3SiC2C的非均相Na2Ti7O15(MAX@C-NTO)复合物,在较宽的温度范围内(25-80°C)都表现出极好的的电化学性能。

非均相MAX @ C-NTO复合物的高温储钠性能

图1.非均相MAX@C-NTO复合材料的制备过程

非均相MAX @ C-NTO复合物的高温储钠性能

图2.(a)TSC和C-NTO30样品的XRD图谱;(b)C-NTO30复合材料的FESEM图像;(c)核壳C-NTO30样品的TEM图像;(d)(C-NTO30)界面的HRTEM图像。(e)TSC核的SAED模式;(f)壳的SAED图案(含C的Na2Ti7O15

为了超越现有SIB电极材料的限制,作者使用MAX作为活性材料的导电介质,开发了具有异质分层结构的电极(MAX:M代表过渡金属,A代表IIIA或IVA族元素,X代表C或N)。MAX相的电导率(〜103 S/cm)高于石墨(〜10 S/cm)。此外,表面可形成高容量的纳米活性材料,例如钛酸盐通过原位相变,从而减少MAX相和活性材料之间的界面势垒。经过微波水热处理,Ti3SiC2就地转化为MAX表面上的含碳纳米片的Na2Ti7O15作为SIB的负极时,在25°C ,10 000 mA/g的倍率下,超过10000次循环后,容量仍保持在93 mA h/g,不会出现明显的容量衰减。更重要的是,它具有良好的高温性能(25-80°C)。在60℃下,以10000mA/g的倍率循环3000次后,仍有75.2%容量保持率(〜120mAh/g)。

非均相MAX @ C-NTO复合物的高温储钠性能

图3. 25°C时Na储存性能(a)C-NTO30的循环伏安图。(b)新鲜和预处理的C-NTO30电极的初始恒电流曲线。(c)C-NTO30样品的首次放电-充电曲线。(d)三个C-NTO样品在200mA/g下的循环性能。(e)C-NTO30样品在200-10000 mA/g电流范围内的第一个充放电曲线。(f)在200-10000mA/g的电流范围下评估三个样品的性能。(g)C-NTO30电极在10 000 mA/g的电流倍率下的循环性能。

注:C-NTO10,C-NTO30和C-NTO60,10、30和60分别表示制备样品的反应时间

非均相MAX @ C-NTO复合物的高温储钠性能

图4.高温下C-NTO30样品的Na储存性能(a)C-NTO30-60℃样品的循环伏安图。(b)C-NTO30-60℃样品的初始充放电曲线,电流密度为200 mA/g。(c)在200-10 000 mA/g的电流范围内,C-NTO30-60℃样品的首次充放电曲线。(d)在200-10 000 mA/g的电流范围下,不同样品的倍率性能。(e)CNTO30-60°C电极在10 000 mA/g的电流下的循环特性。

这种非均相结构在SIBs中表现出了几个优点,包括导电材料的均匀分布,促进纳米纤维中电子和钠离子传输以及对活性材料聚集的抑制。这种具有创新组成和结构优势的MAX@C-NTO复合材料为合成具有大容量和高温特性的其他钠/锂主体材料提供了有效的方案。

Guodong Zou, Qingrui Zhang, Carlos Fernandez, Gang Huang, Jianyu Huang, Qiuming Peng; Heterogeneous Ti3SiC2@C-Containing Na2Ti7O15 Architecture for High-Performance Sodium Storageat Elevated Temperatures; ACS NANO(2017)DOI: 10.1021/acsnano.7b05559

 

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