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介孔CoS@类蜂窝状碳壳的核壳微球

介孔CoS@类蜂窝状碳壳的核壳微球

开发高能量密度的能量存储装置一直是研究的热点问题。在各种能量存储系统中,锂离子电池(LIBs)由于高能量密度、高功率密度和长期循环寿命等优势占据了巨大的市场份额。钠离子电池(SIBs)由于钠资源丰富、低成本等优势成为大型储能系统中有前景的储存装置。两者能量储存技术都有各自的应用领域,但最先进的LIBs和SIBs仍不能满足日益增长的能量消耗需求。此外,由于钠离子的直径较大,许多用于LIBs的高性能负极材料却不能用于SIBs。因此开发具有高容量和长期循环稳定性的适合负极材料成为研究的重点。

在各种负极材料中,与嵌入型负极材料相比,过渡金属硫化物(TCMs)表现出更高的可逆容量,尤其对于SIBs。硫化钴由于低成本和高理论容量被认为是Li+和Na+的适宜宿主材料。然而循环过程中严重的体积变化导致差的电化学性能限制了它的商业化应用。

武汉理工大学的麦立强首次成功合成了由介孔硫化钴核和类蜂窝状碳壳(M-CoS@C)组成的独特的核壳微球。平均孔径为〜15nm的介孔CoS(M-CoS)核提供大的电极/电解质接触面积和短的电子和离子扩散路径。这种类蜂窝状的碳壳提供有限的空间结构,以保证循环过程中介孔CoS核的完整性。由于M-CoS@C结构的多功能性,M-CoS@C电极表现出良好的循环稳定性和优异的Li+和Na+储存性能。

介孔CoS@类蜂窝状碳壳的核壳微球

图1. (a)核壳M-CoS@C的合成示意图。前驱体的(b)SEM和(f)TEM图。前驱体@SiO2@RF的(c)SEM和(g)TEM图。M-CoS@SiO2@C的(d)SEM和(h)TEM图。核壳M-CoS@C的(e)SEM和(i)TEM图。

介孔CoS@类蜂窝状碳壳的核壳微球

图2. 样品的物理表征。前驱体M-CoS和核壳M-CoS@C的(a)XRD图,(b)拉曼光谱和(c)N2吸附等温线。(d)M-CoS和核壳M-CoS@C的孔径分布曲线。(e)核壳M-CoS@C的STEM和高分辨率TEM(插图)图。(f-h)核壳M-CoS@C的元素映射。

得益于M-CoS@C独特的核壳结构,M-CoS@C电极表现出优异的循环性能和倍率性能。对于Li的存储,在1A/g的电流密度下循环500圈后容量仍达790 mAh/g ,在20A/g的高电流密度下仍表现出330mAh/g的高容量;对于Na的存储,在0.2A/g的电流密度下循环100圈后容量仍达532mAh/g,在20A/g的高电流密度下表现出190mAh/g的高容量。

介孔CoS@类蜂窝状碳壳的核壳微球

图3. 核壳M-CoS@C作为LIBs负极的电化学性能。(a)核壳M-CoS@C和(b)M-CoS的循环伏安图,扫率为0.2mv/s,范围为0.01-3V。M-CoS和核壳M-CoS@C(c)在1A/g电流密度下的循环性能和(d)倍率性能。(e) 核壳M-CoS@C在不同倍率下相应的放电/容量曲线。

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图4. 核壳M-CoS@C作为SIBs负极的电化学性能。(a)核壳M-CoS@C的循环伏安图,扫率为0.2mv/s,范围为0.01-3V。M-CoS和核壳M-CoS@C(b)在0.2A/g电流密度下的循环性能和(c)倍率性能。(d) 核壳M-CoS@C在不同倍率下相应的放电/容量曲线。

M-CoS@C独特的核壳结构所具有的优势:

  • 核壳结构可以缓冲循环期间大的体积膨胀,保证电极结构的完整性;

  • 介孔的CoS核不仅提供大的电极/电解液接触面积,保证电极的完全浸润,而且具有较短的电子和离子扩散路径,增强了反应动力学。

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图5.循环过程中M-CoS和核壳M-CoS@C的形态变化。(a)循环0,10和50次(满电荷状态)下的M-CoS和核壳M-CoS@C的SEM图及在1A/g电流密度下的循环性能。(b)放电/充电过程中的形态变化示意图。

 

参考文献:

Qidong Li, Li Li, Kwadwo Asare Owusu, WenLuo, Qinyou An, Qiulong Wei, Qingjie Zhang and Liqiang Mai, Self-adaptive mesoporousCoS@alveolus-like carbon yolk-shell microsphere for alkali cations storage, Nano Energy, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen. 2017.09.022.


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