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高性能储钠3D多孔五硫化二锑/石墨烯泡沫复合物

寻求高性能的电极材料是钠离子电池目前最重要的挑战之一。金属硫化物因比容量高,优越的氧化还原可逆性等优点深受科学家关注。其中,Sb2S3拥有良好的可逆性和较高的理论比容量(946 mAh/g),因为S和Sb元素可以同时储存钠离子。因此,科学家推测硫含量更高的Sb2S5应具备更高的理论比容量,而且其电导率高,有利于循环过程中电子运输。

南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室陈军教授等人通过水热过程将Sb2S5纳米颗粒(〜5nm)均匀地包封在3D多孔石墨烯泡沫上,得到Sb2S5-GF-8(Sb2S5的含量为83%)复合材料,作为钠离子负极,表现出良好的电化学性能。此成果发表在国际期刊Nano Letters上。

高性能储钠3D多孔五硫化二锑/石墨烯泡沫复合物

图1 (a)倍率性能图;(b)Sb2S5-GF-8与其它硫基电极的能量密度比较图;(c)循环性能图;(d)阻抗图;(e)低频区域的对应线性拟合图。

高性能储钠3D多孔五硫化二锑/石墨烯泡沫复合物

图2 Na3(VO0.5)2(PO4)2F2/C−Sb2S5-GF-8全电池的电化学性能。(a)CV图;(b)充放电曲线图;(c)循环性能图;(d)由三个串联连接的全电池供电的小型LED面板的照片。

作为钠离子电池负极,Sb2S5-GF-8表现出优越的电化学性能。在电流密度0.1 A/g下,比容量为845 mAh/g,体现良好的可逆性;在电流密度0.2 A/g下,循环300次,容量保持率为91.6%,体现了良好的循环稳定性;在大电流密度10 A/g下,容量仍维持在525 mAh/g,体现优越的倍率性能。当与Na3(VO0.5)2(PO4)2F2/C正极组装成全电池时,表现出高的开路电压和稳定的比容量(828 mAh/g)


高性能储钠3D多孔五硫化二锑/石墨烯泡沫复合物

图3 (a)Sb2S5-GO悬浮液水热前后的图片;(b)不同尺寸3D多孔Sb2S5-GF-8复合物图片;(c-d)SEM图;(e)TEM图。

在文中,作者解释了Sb2S5-GF-8电极具有如此优越的电化学性能的原因:首先,自组装过程以促进Sb2S5纳米颗粒和石墨烯泡沫框架的紧密接触,进而抑制循环过程中活性物质的机械故障;其次,Sb2S5纳米颗粒的超小尺寸可以缩短Na +离子的扩散路径,增加活性表面积,从而促进钠离子扩散,减轻结构变化更重要的是3D多孔石墨烯泡沫的骨架不仅可以促进电极之间电子传输,而且可以缓解Sb2S5在充放电过程的体积膨胀;最后,没有非活性粘合剂和集电器可以促进高钠离子通量,提高电极电导率

 

参考文献:

Yanying Lu, Ning Zhang, Shuang Jiang, Yudong Zhang, Meng Zhou, Zhanliang Tao, Lynden A. Archer, and Jun Chen. High-Capacityand Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide−Graphene Foam Architecture, Nano Lett. , DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00889.

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