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高倍率储钠石墨烯基三明治复合纳米片材料的构筑新方法

【引言】

锂离子电池凭借稳定的性能和成熟的工艺得到广泛应用;然而,锂资源的匮乏促使人们继续寻求新一代的能量储存材料与技术,其中,钠离子电池因钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等特点,在国内外备受关注,有望替代锂离子电池成为智能电网等大规模储能应用的首选。与锂离子电池相比,钠离子电池的倍率性能和循环性能很不理想,其主要原因是钠离子的离子半径较大,导致缓慢的固态离子扩散和充放电过程中的体积膨胀。新结构高性能电极材料之设计与可控合成是克服这一难题的有效途径。

 

【成果简介】

邱介山教授领导的辽宁省“能源材料化工”创新团队与加拿大西安大略大学孙学良教授合作,在前期研究工作的基础上(超细MoO2纳米颗粒镶嵌核壳纳米棒的新结构,Adv Energy Mater 2017, 7,1602880;超大层间距(1.34 nm)MoS2与碳纤维的复合结构新材料,Nano Energy 2017, 41, 66-74),提出了一个全新的技术策略。基于原位化学作用,利用活性物质精细调控材料的微观结构,构筑具有分级结构的碳基纳米复合材料;通过调控电极材料的本征结构,增加了电极材料的表面/近表面反应的贡献比例,显著提高了钠离子电池的倍率性能。该研究成果发表在Adv. Mater.上(2018,30, 1702486)。这一工作为拓展高倍率钠离子电池电极材料的设计与构筑方法,开辟了新的技术途经。

 

【图文解析】

高倍率储钠石墨烯基三明治复合纳米片材料的构筑新方法

图1. G@MoS2-C纳米片a)制备示意图, b)SEM图,c)TEM图, d)HRTEM图; e,f) Na原子在MoS2不同层间距之间的扩散过程示意图; g)不同过渡状态下扩散能量屏障曲线。

高倍率储钠石墨烯基三明治复合纳米片材料的构筑新方法

图2. a)G@MoS2-C纳米片在电流密度为3A/g时长期循环性能,MoS2-C纳米球和G@ oS2-C纳米片b)0.1-50A/g不同电流密度下的倍率性能,c)不同倍率下电化学反应示意图。

 

【小结】

本文研究人员以氧化石墨烯为结构导向剂,利用多巴胺与钼酸铵的络合作用以及多巴胺的原位聚合反应,辅以高温硫蒸气硫化处理,合成出层间距更大的少层MoS2与石墨烯有机耦合的复合纳米片材料(G@MoS2-C)

  1. G@MoS2-C的独特二维片型结构,有利于缩短钠离子的扩散距离;具有扩大层间距的少层MoS2,则有利于提高活性物质的利用率;三明治层间的石墨烯,有利于提高复合材料的导电性

  2.  密度泛函理论研究证明,随MoS2层间距的增加,钠离子在其层间的扩散能垒逐步减小,钠离子的扩散阻力降低

  3.  该材料作为钠离子电池的负极材料,在3A/g的电流密度下,循环4500圈后,G@MoS2-C的比容量仍高达253mAh/g;在50 A/g的超高电流密度下,表面/近表面反应的贡献比例增加,其比容量可达93mAh/g

 

Changtai Zhao, Chang Yu, BoQiu, Si Zhou, Mengdi Zhang, Huawei Huang, Biqiong Wang, Jijun Zhao, XueliangSun, and Jieshan Qiu;Ultrahigh Rate and Long-Life Sodium-Ion Batteries Enabled by Engineered Surface and Near-Surface Reactions, Adv. Mater. 2018, 30(7), 1702486, DOI:10.1002/adma.201702486

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