1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计

【引言】 

蛋黄-壳结构(Yolk-Shell,YS)在缓解锂/钠离子电池合金型负极的巨大体积变化方面展示出巨大的潜力。然而,在传统YS结构中,核和壳之间的点对点接触极大地限制了电子和离子在核壳界面处的传输,而且自支撑的碳壳在长期的循环中可能破损从而导致结构失效。目前,已有报道通过改变核壳之间的接触方式(例如:线对线和面对面的接触方式)提高YS界面的电子和离子的传输。然而,制备这些精巧的结构通常需要复杂的程序和昂贵的设备,增加了成本。最近,东南大学的孙正明、陈坚教授课题组(共同通讯作者)与香港城市大学王钻开教授通过简单可扩展的方法成功合成了一种新颖的轮状蛋黄-壳(Wheel-like Shell, WS)结构。该结构核壳之间通过碳纳米带桥接实现了多点接触,这允许结构内部/外部的电子和离子高效地传输。而且,该结构壳层是由连续的石墨烯网络组成,不仅可以作为导电通路,还可以作为维持结构完整性的机械骨架。当其用于钠离子电池负极时,表现出优异的倍率性能和循环稳定性。该文章发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上(影响因子:8.867),博士研究生徐晖为该论文的第一作者

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计 图1. 传统的YS结构和新型的WS结构的合成示意图。

 

【成果简介】

首先通过水热法合成了多孔的SnO2纳米球(P-SnO2NSs),然后依次在其表面包覆SiO2和聚多巴胺(PDA),产物命名为SSP。合成传统的YS结构,只需要将SSP颗粒在氩气中热处理,然后在HF溶液中刻蚀掉SiO2层即可。合成WS结构,我们需要将SSP颗粒均匀地分散到氧化石墨烯(GO)溶液中,冻干后在氩气中热处理,然后在热的NaOH溶液中刻蚀掉SiO2层即可。与传统的YS结构相比,WS结构展示出许多优异的结构特征:(1) 核壳之间多点接触;(2) 三维连续的导电网络;(3) 石墨烯和碳纳米带维持结构稳定性;(4) 多级孔结构促进电解液渗透。 

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计

图2. YS的SEM图(a)和TEM图(b和c);WS的SEM图(d-f)和TEM图(g-i)。

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计

图3. YS和WS的Raman光谱(a),XRD谱(b)和TGA曲线(c);WS的N2吸附脱附曲线(d)和孔尺寸分布图(d的插图)。

 

碳纳米带桥接SnO2核和石墨烯壳是实现WS结构的关键。随后作者通过XPS研究了碳纳米带与核壳之间的交互作用。与刻蚀前驱体SSC@G相比,WS的C-N键强度明显下降,表明刻蚀过程导致一部分酰胺键断裂。这引起碳层从石墨烯壳上脱落,并在表面张力的驱使下形成带状结构,即碳纳米带。在完全移出SiO2层之后,碳纳米带可以化学键合在SnO2表面,WS中急剧增强的Sn-C和Sn-O-C键证实了我们的结论。这种化学键合可以提供更强的界面吸附力,不仅能增强电子传导,也能稳定结构。

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计

图4. 前驱体SSC@G和WS的XPS C1s谱(a和b)和O1s谱(c和d)

 

当被用作钠离子电池负极时,WS展示出优异的电化学性能。在1.0A/g的电流密度下,1000次循环后可逆容量高达248.2mAh/g,容量保持率为86.9%(与第一次循环充电容量相比),库仑效率几乎为100%。在0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0A/g的电流密度下可逆容量分别为418.8,324.3, 266.1, 232.6, 203.2, 177.0和153.3mAh/g;当电流密度恢复到0.1A/g时,容量恢复并保持在353.3mAh/g。

用于大体积变化负极材料的一种轮状的蛋黄-壳设计

图 5. WS的CV曲线(a),WS和YS的首次充放电曲线(b),循环性能(c)和倍率性能(d),WS在交替变化的电流密度下的循环稳定性(e),WS与近期报道的SnO2基钠离子电池负极材料的倍率性能比较(f),WS的长程循环性能(g)。

 

【材料制备】

SSP颗粒:将8.87g的葡萄糖和3.93g锡酸钾添加到70mL的去离子水中,搅拌直到完全溶解。将溶液转移到100mL的水热反应釜中,在180℃下加热4小时。产物经过离心、烘干后置于550℃下加热4小时。将200mg上述产物分散在160mL乙醇和40mL去离子水的混合溶液中。超声2小时后,依次添加2mL浓氨水和1mL正硅酸乙酯。剧烈搅拌12小时,产物经离心、烘干后,取100mg分散在80mL的Tris缓冲液中,添加50mg盐酸多巴胺,搅拌24小时。产物经离心、烘干后备用。

WS结构:将合成的SSP颗粒(100mg)添加到5mL乙醇和5mL去离子水的混合溶液中超声处理1小时。添加17.5mg的羧甲基纤维素钠和25mg的聚乙烯醇,搅拌10分钟后添加50mL浓度2mg/mL的氧化石墨烯水溶液。在超声半小时后,将混合物置于50℃下搅拌整晚。反应结束后将产物冻干,并于350℃下、氩气中热处理2小时。冷却后,将产物置于2M的NaOH溶液中,在50℃下剧烈搅拌12小时。在离心、冻干之后,获得了WS。

 

HuiXu, Liguang Qin, Jian Chen, Zuankai Wang, Wei Zhang, Peigen Zhang, Wubian Tian,Yao Zhang, Xinli Guo, zhengming Sun, Toward advanced sodium-ion batteries: a wheel-inspired yolk-shell design for large-volume-change anode materials, J. Mater. Chem. A, 2018, DOI:10.1039/C8TA03772H

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code