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高储钠/储锂的管线状TiO2-Sn-CNF

高储钠/储锂的管线状TiO2-Sn-CNF

引      言    

金属锡,一种具有较低放电电位和高理论容量(对于Li4.4Sn992mAh/g;对于Na15Sn4847mAh/g)的材料,被看作锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(NIBs)材料最佳选择。然而,严重的体积膨胀(LIB体积膨胀300%NIB体积膨胀520%)引起的电极材料粉化脱落,导致电化学性能衰减(容量衰退快,导电性差),阻碍了其实际应用。

先前的研究表明,通过将材料尺寸纳米化可以有效削弱合金化和去合金化过程中的体积膨胀,缩短离子迁移路径,从而提供优异的倍率性能

 成果简介    

水能载舟亦能覆舟“,纳米材料最突出的问题莫过于发生团聚,由此限制了材料的循环稳定性。鉴于此,美国马里兰大学王春生教授课题组通过静电纺丝和原子沉积(ALD)技术成功地合成了管线TiO2-Sn-CNF,材料电化学性能及其优异,并将此成果发表于国际期刊Nano Letters(13.779,2016)。

高储钠/储锂的管线状TiO2-Sn-CNF

图1. (a) 管线状TiO2-Sn-CNF在100mA/g下的循环性能.; (b, c) 管线状TiO2-Sn-CNF,核壳状TiO2-Sn-CNF,Sn@CNFs和CNFs在LIBs以及NIBs中各自的循环寿命; (d) 管线状TiO2-Sn-CNF在5, 15, 25nm TiO2壳下以200mA/g进行LIBs的循环寿命测试; (e) 管线状TiO2-Sn-CNF在LIBs中的倍率性能; (f) 在LIBs和NIBs中,管线状TiO2-Sn-CNF负极在循环200圈前后的能奎斯特图。插图是所研究系统的等效电路。

将TiO2-Sn-CNFs分别用于LIBs和NIBs进行电化学测试:在NIBs中以100mA/g循环400次后可逆容量达413mAh/g,在LIBs中以200mA/g循环1100此后可逆容量高达643mAh/g;两者的首次库伦效率分别为58.39%和66.8%,经过几圈循环后库伦效率维持在99%以上,表明其可逆性极佳。

高储钠/储锂的管线状TiO2-Sn-CNF

图2. 管线状TiO2-Sn-CNF的制备示意图。

机制分析    

见微知著,作者从材料的细微特征揭示了其之所以电化学性能优异的两个主要原因:

首先,管线状TiO2-Sn-CNF的碳纳米纤维层中均匀地分布着纳米Sn颗粒,在有效缓冲循环过程中产生的应力和应变并维持3D导电骨架的稳定性的同时,还能维持高容量;

其次,采用ALD技术沉积的TiO2膜能够有效缩短电解液到其表面的距离,与此同时能够减少Sn的聚集并抑制体积变化,起到保形和自支撑的作用,从而提高库伦效率并增强循环稳定性;

参考文献  

Minglei Mao, Feilong Yan, Chunyu Cui, Jianmin Ma, Ming Zhang, Taihong Wang and Chunsheng Wang, Pipe-Wire TiO2−Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries, Nano Letter, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01152 

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