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石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构,性能优异的钠离子电池阳极材料

来源:网络整理 作者:2017年04月21日 09:56
[导读] 锂离子电池已在便携式设备和电动汽车上得到广泛应用,并在大规模储能领域扮演着重要角色。然而,由于地壳中锂资源的匮乏和分布不均匀,急需寻找新型的储能材料作为锂离子电池的补充和替代品。相比较于锂,钠表现出类似的电化学性质,并在地壳中具有丰富的自然资源

  【引言】

  锂离子电池已在便携式设备和电动汽车上得到广泛应用,并在大规模储能领域扮演着重要角色。然而,由于地壳中锂资源的匮乏和分布不均匀,急需寻找新型的储能材料作为锂离子电池的补充和替代品。相比较于锂,钠表现出类似的电化学性质,并在地壳中具有丰富的自然资源;这些优势使钠离子电池(SIBs)成为非常有潜力的储能材料之一。目前,许多研究者对于钠离子电池电极材料进行了相关探索,但仍然无法满足阳极材料关于低价格、高容量和长循环的要求。

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  【成果简介】

  为了获得电化学性能优异的钠离子电池阳极材料,来自华南理工大学杨成浩教授和南卡罗来纳大学Kevin Huang教授课题组近日在Advanced FuncTIonal Materials上发表了题为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,并被评为Back Inside Cover封面文章。在该文章中,通过简便的一步溶剂热法合成了石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构,并将此复合物作为钠离子电池阳极材料。通过原位X射线衍射研究发现,在Sb2Se3充放电过程中发生了脱嵌反应、转化反应和合金反应,并提供相当高的理论质量比容量。但是,在充放电过程中会经历体积膨胀和收缩,甚至造成活性材料的脱落,导致较低的电子传导率和较差的循环稳定性。最有效的缓解方法是将Sb2Se3置入碳基底材料中作为体积缓冲器来抑制体积膨胀和改善导电率。由于还原氧化石墨烯(rGO)具有较大的比表面积,优异的电子传导性和良好的热稳定性等特点, rGO被认为是Sb2Se3最理想的碳材料基底。

  【图文导读】

  图1. Sb2Se3/rGO复合物作为SIBs阳极材料的物理表征

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  (A)是X射线衍射图,(B)是拉曼图谱,(C)是热重图谱;(D-F)是X射线光电子能谱。

  图2. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的形貌结构表征图

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  (A-C)分别是纯相Sb2Se3的TEM、HRTEM和SAED图,(D-G)分别是Sb2Se3/rGO复合物的TEM、HRTEM、SAED和EDX mappings图。

  图3. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的电化学性能表征图

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  (A-B)分别是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 mV s-1扫描速率下前五次循环伏安测试图。

  (C-D)分别是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 A g-1倍率下前五次的充放电测试图。

  (E-G)分别是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在不同倍率、0.1 A g-1和1.0 A g-1下的长期循环测试图。

  图4.充放电过程中结构变化及原理示意图

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  (A)Sb2Se3/rGO电极首次充放电过程中的原位XRD衍射二维轮廓图。

  (B)Sb2Se3/rGO电极在特定2θ角度下该区域原位XRD衍射图。

  (C)Sb2Se3/rGO复合物的储钠反应机理示意图。

  图5. Sb2Se3/rGO电极在首次充放电过程中不同截止电压下的微观结构图

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  (A-B)分别是Sb2Se3/rGO 在首次放电过程中截止电压为0.8V和0.01V的TEM/HRTEM图和相对应 SAED图。

  (A-B)分别是Sb2Se3/rGO 在首次充电过程中截止电压为1.5V和3.0V的TEM/HRTEM图和相对应 SAED图。

  图6. Sb2Se3/rGO电极长期循环过程示意图

  石墨烯电池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多维纳米结构——性能优异的钠离子电池阳极材料

  【小结】

  通过改善电传导性和缓解严重的体积变化,多维纳米结构的Sb2Se3/rGO复合材料获得优异的倍率性能和循环性能。在0.1、1.0和2.0 A g-1不同的倍率下,分别取得682、448和386mAh g-1的可逆质量比容量;特别是在1.0 A g-1大倍率下循环500圈后,仍然能得到417 mAh g-1的可逆比容量,保持率高达90.2%。通过全面有效的对反应机理进行分析,特殊的多维纳米结构使Sb2Se3和rGO发挥了协同作用,对开发储钠性能优异的电极材料提供了新的研究思路和理论支持。

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