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入選封面論文的高性能電池納米復(fù)合材料,有多強(qiáng)?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:810次  |  2020年04月27日  

隨著化石燃料不斷消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重,尋找環(huán)境友好型儲(chǔ)能技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵。目前,電池的能量密度和安全性都遇到了發(fā)展瓶頸,因此,科研人員迫切地想開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于電池。


鈉離子電池(SIBs)作為鋰離子電池(LIBs)的替代品且資源豐富,價(jià)格低廉逐漸受到人們的青睞。不幸的是,由于鈉離子半徑的限制,商用石墨(SIBs:372mAhg-1)并不能供應(yīng)滿(mǎn)意的儲(chǔ)鈉容量。因而,開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于SIBs就顯得尤為迫切。鑒于此,兼具高比容量(667mAhg-1)、適中電化學(xué)窗口,環(huán)境友好的SnO2被用作負(fù)極材料而廣泛研究。


然而,SnO2在后續(xù)電池循環(huán)使用過(guò)程中除了材料自身體積膨脹和低電導(dǎo)率問(wèn)題之外,還出現(xiàn)了其自身難以克服的問(wèn)題:(1)轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成的Na2O(SnO2+4Na++4e-=Sn+2Na2O)會(huì)造成較大的不可逆容量損失和較低的初始庫(kù)倫效率。雖然Na2O具有防止顆粒團(tuán)聚的用途,但是不穩(wěn)定的Sn/Na2O界面不能阻止相分離和自聚集,從而大大降低了反應(yīng)的可逆性。(2)循環(huán)過(guò)程中Sn顆粒逐漸團(tuán)聚進(jìn)一步減慢Na+在后續(xù)合金反應(yīng)中的擴(kuò)散(Sn+xNa++xe-=NaxSn)。


南京郵電大學(xué)余柯涵教授(通訊作者)等通過(guò)微波等離子體工藝,巧妙構(gòu)筑了核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn/氮摻雜石墨烯氣凝膠(SnO2@Sn/NGA),在電池第一次放電過(guò)程中就獲得了穩(wěn)定的Na2O@Sn界面,大大提高了轉(zhuǎn)化反應(yīng)的可逆性;同時(shí),較薄的Na2O層不僅可以促進(jìn)Na+的擴(kuò)散,又能很有效地防止Sn粒子的團(tuán)聚。此外,等離子體減少了石墨烯中的含氧官能團(tuán),使其導(dǎo)電性和電化學(xué)性能得到了明顯的改善。基于這些優(yōu)點(diǎn),SnO2@Sn/NGA作為負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能。相關(guān)成果以“plasma-enabledternarySnO2@Sn/nitrogen-dopedgrapheneaerogelanodeforsodium-ionbatteries”為題發(fā)表在CHEMELECTROCHEM,并入選封面論文。論文第一作者為研究生馬裕杰。


來(lái)源:CHEMELECTROCHEM


通過(guò)利用微波等離子體技術(shù),他們成功地將SnO2/NGA轉(zhuǎn)化為三元鈉離子電池負(fù)極SnO2@Sn/NGA。核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn保證了Na2O可以通過(guò)多種方式改善負(fù)極的電化學(xué)性能,特別是防止顆粒團(tuán)聚,穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu),改善Na+擴(kuò)散途徑,保證Sn?SnO2的可逆轉(zhuǎn)化。因此,該負(fù)極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,較高的比容量,卓越的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。同時(shí),隨著NGA石墨化程度的提高進(jìn)一步促進(jìn)倍率性能。


此外,這種獨(dú)特的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)可以推廣到其他合金型負(fù)極材料并應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池中。


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