2017-04-26 19:30:31

  【引言】

  鋰離子電池已在便攜式設備和電動汽車上得到廣泛應用,並在大規模儲能領域扮演著重要角色。然而,由於地殼中鋰資源的匱乏和分布不均勻,急需尋找新型的儲能材料作為鋰離子電池的補充和替代品。相比較於鋰,鈉表現出類似的電化學性質,並在地殼中具有豐富的自然資源;這些優勢使鈉離子電池(SIBs)成為非常有潛力的儲能材料之一。目前,許多研究者對於鈉離子電池電極材料進行了相關探索,但仍然無法滿足陽極材料關於低價格、高容量和長循環的要求。

  石墨烯電池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結構——性能優異的鈉離子電池陽極材料

  【成果簡介】

  為了獲得電化學性能優異的鈉離子電池陽極材料,來自華南理工大學楊成浩教授和南卡羅來納大學Kevin Huang教授課題組近日在Advanced FuncTIonal Materials上發表了題為A New rGO-Overcoated Sb2Se3 Nanorods Anode for Na+ Battery: In Situ X-Ray DiffracTIon Study on a Live SodiaTIon/DesodiaTIon Process的文章,並被評為Back Inside Cover封麵文章。在該文章中,通過簡便的一步溶劑熱法合成了石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結構,並將此複合物作為鈉離子電池陽極材料。通過原位X射線衍射研究發現,在Sb2Se3充放電過程中發生了脫嵌反應、轉化反應和合金反應,並提供相當高的理論質量比容量。但是,在充放電過程中會經曆體積膨脹和收縮,甚至造成活性材料的脫落,導致較低的電子傳導率和較差的循環穩定性。最有效的緩解方法是將Sb2Se3置入碳基底材料中作為體積緩衝器來抑製體積膨脹和改善導電率。由於還原氧化石墨烯(rGO)具有較大的比表麵積,優異的電子傳導性和良好的熱穩定性等特點, rGO被認為是Sb2Se3最理想的碳材料基底。

  【圖文導讀】

  圖1. Sb2Se3/rGO複合物作為SIBs陽極材料的物理表征

  石墨烯電池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結構——性能優異的鈉離子電池陽極材料

  (A)是X射線衍射圖,(B)是拉曼圖譜,(C)是熱重圖譜;(D-F)是X射線光電子能譜。

  圖2. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的形貌結構表征圖

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  (A-C)分別是純相Sb2Se3的TEM、HRTEM和SAED圖,(D-G)分別是Sb2Se3/rGO複合物的TEM、HRTEM、SAED和EDX mappings圖。

  圖3. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的電化學性能表征圖

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  (A-B)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 mV s-1掃描速率下前五次循環伏安測試圖。

  (C-D)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 A g-1倍率下前五次的充放電測試圖。

  (E-G)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在不同倍率、0.1 A g-1和1.0 A g-1下的長期循環測試圖。

  圖4.充放電過程中結構變化及原理示意圖

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  (A)Sb2Se3/rGO電極首次充放電過程中的原位XRD衍射二維輪廓圖。

  (B)Sb2Se3/rGO電極在特定2θ角度下該區域原位XRD衍射圖。

  (C)Sb2Se3/rGO複合物的儲鈉反應機理示意圖。

  圖5. Sb2Se3/rGO電極在首次充放電過程中不同截止電壓下的微觀結構圖

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  (A-B)分別是Sb2Se3/rGO 在首次放電過程中截止電壓為0.8V和0.01V的TEM/HRTEM圖和相對應 SAED圖。

  (A-B)分別是Sb2Se3/rGO 在首次充電過程中截止電壓為1.5V和3.0V的TEM/HRTEM圖和相對應 SAED圖。

  圖6. Sb2Se3/rGO電極長期循環過程示意圖

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  【小結】

  通過改善電傳導性和緩解嚴重的體積變化,多維納米結構的Sb2Se3/rGO複合材料獲得優異的倍率性能和循環性能。在0.1、1.0和2.0 A g-1不同的倍率下,分別取得682、448和386mAh g-1的可逆質量比容量;特別是在1.0 A g-1大倍率下循環500圈後,仍然能得到417 mAh g-1的可逆比容量,保持率高達90.2%。通過全麵有效的對反應機理進行分析,特殊的多維納米結構使Sb2Se3和rGO發揮了協同作用,對開發儲鈉性能優異的電極材料提供了新的研究思路和理論支持。

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