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首页 > 学术中心 > 行业资讯 > 中南大学:氮硫共掺杂碳纤维包覆SnS纳米颗粒用于高性能钠离子电池
 

中南大学:氮硫共掺杂碳纤维包覆SnS纳米颗粒用于高性能钠离子电池

 
发布日期:2018-08-27
 

近年来,由于钠的天然储量丰富、成本低,钠离子电池(SIB)受到越来越多的关注。但是,由于钠离子半径较大,大多数适用于锂离子电池负极材料无法满足钠离子电池条件。基于转化-合金化储钠机制的锡基材料具有较高的理论容量,其中,SnS 因其独特的层状结构和较大层间距成为较理想的候选负极材料。但是,SnS在充放电循环过程中发生较大的体积变化,导致材料粉碎、电池循环寿命差。

近日,中南大学潘安强教授和梁叔全教授(共同通讯作者)在国际顶级期刊(知名期刊)Energy Storage Materials上发表题为“Tin Sulfide Nanoparticles Embedded in Sulfur and Nitrogen Dual-Doped Mesoporous Carbon Fibers as High-Performance Anodes with Battery-Capacitive Sodium Storage”的文章,第一作者为博士研究生王亚平。研究者通过静电纺丝法成功合成了氮、硫共掺杂介孔碳纤维包覆SnS纳米颗粒(SnS@SNCF-55)的复合材料。当其用于钠离子电池负极时,表现出优异的循环和倍率性能。

研究人员首先将聚丙烯腈(PAN)、SnCl2﹒2H2O、硫粉在加热条件下溶于到DMF中通过静电纺丝获得前驱体纤维,随后在空气中煅烧固化纤维,最后在Ar气中高温碳化得到SnS@SNCF-55负极材料(图1)。SnS@SNCF-55材料具有特殊的多孔结构,且SnS嵌于氮、硫共掺杂的碳中(图2),同时碳纤维边缘被部分石墨化,具有较大的层间距。当SnS@SNCF-55材料作为钠离子电池负极时,在0.1A/g的电流密度下,100次循环后容量高达600mAh/g。在0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2A/g的电流密度下容量分别为796, 630, 490, 433, 400, 341, 289mAh/g。在1A/g大电流密度下循环500圈之后,复合电极的容量仍然保持在332mAh/g,单圈容量衰减率为0.04%(图3)。作者以Na3V2(PO4)3作为正极组装全电池(图4),在0.1-3.0V的电压窗口内,在0.1A/g下的容量为300mAh/g

图1. SnS@SNCF-55 的制备过程。


图2. (a,b)不同放大倍数下SnS@SNCF-55的SEM图片;(c-g)SnS@SNCF-55的TEM、HRTEM及相对应的SAED图片;(h-i)Sn、S、C、N的元素分布图。


图3. (a)SnS@SNCF-55的CV曲线,扫描速率为0.1mV/s。(b)0.1A/g下SnS@SNCF循环性能。(c)一系列SnS@SNCF材料的倍率性能。(d)不同电流密度下SnS@SNCF-55的充放电曲线。(e)在1A/g下SnS@SNCF-55的循环稳定性。


图4. (a)以Na3V2(PO4)3为正极,SnS@SNCF-55作为负极的全电池示意图。(b)0.1A/g电流密度下全电池的充放电曲线。(c)在0.1A/g下全电池的循环性能。

作者考察了不同扫速下的CV测试以进一步研究其储能机理,研究结果表明该材料具有优异电化学性能的可能原因是:(1)碳纤维可以有效缓冲SnS在充放电过程中产生的体积膨胀,防止SnS粉化;(2)碳纤维具有多孔结构有利于电解液的渗入与传输;(3)氮、硫共掺杂可有效提高材料导电性,且可以使碳纤维边缘部分石墨化,增大碳材料层间距;(4)部分外在的赝电容效应可以提高电极材料的倍率性能。

 
 
 

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