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钠离子电池负极:MoSe2/N,P共掺杂碳纳米片复合材料

以锂离子电池为代表的可充电电池已经在便携电子设备和电动汽车中得到了广泛的应用。然而,锂资源短缺已无法满足下一代能源需求,因钠资源更为廉价、易得的优势,钠离子电池成为替代锂离子电池的首选,并有望在智能电网等规模储能应用中发挥巨大作用。但是钠离子的半径为1.02 Å,比锂离子半径0.76 Å大约34%,因此石墨材料不适用于钠离子电池,寻找合适的钠离子电池负极材料成为目前首要的问题。

MoSe2,一种层状结构的过渡金属硫族化物,层间距大(≈ 0.65nm),比容量高(≈ 422 mAh /g),是一种理想的钠离子电池负极材料。但存在着导电率差,循环过程中体积膨胀等问题。

钠离子电池负极:MoSe2/N,P共掺杂碳纳米片复合材料

图1 MoSe2/N,P-rGO的制备过程。

近期,山东大学杨剑等人通过水热反应和高温煅烧等过程制备出MoSe2/N,P共掺杂碳纳米片复合材料(MoSe2/N,P-rGO),作为钠离子电池负极,表现出良好的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。


钠离子电池负极:MoSe2/N,P共掺杂碳纳米片复合材料

图2  MoSe2/N,P-rGO的(a-b)SEM图;(c)TEM图;(d)HRTEM图。


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图3 (a)电流密度为0.5A/g时,MoSe2 和MoSe2/N,P-rGO的充放电曲线;MoSe2/N,P-rGO,MoSe2/rGO和 MoSe2的(b)循环性能图;(c)倍率性能图;(d)与其他文章比较的容量保持率图。

MoSe2/N,P-rGO复合材料作为钠离子电池负极,表现出高的储钠量,良好的循环稳定性和倍率性能。在电流密度0.5A/g下,循环100圈后,比容量为378 mAh/g,容量保持率为87%(相对于第二圈);在大电流密度15A/g下,容量仍维持在216 mAh/g。

对于MoSe2/N,P-rGO复合材料有如此优越的电化学性能,作者在文中作了相关解释。该复合材料拥有许多有利于钠离子的脱嵌的结构特点,MoSe2负载在碳纳米片上有利于改善电荷转移动力学,增大的MoSe2层间距促进钠离子扩散,N和P修饰的碳纳米片加强了循环过程中活性物质的接触。作者通过模拟理论计算验证了MoSe2/N,P-rGO电极拥有良好的循环稳定性主要归功于双掺杂碳纳米片与硒化物的强相互作用。作者还证明了MoSe2/N,P-rGO电极快速的反应动力学与赝电容有关,其根本原因可能是N,P掺杂碳纳米片的良好导电性和小的电荷转移电阻。这些结果表明过渡金属硫族化物在钠离子电池应用中有很大的潜力。


材料制备过程:

N,P共掺杂GO的制备:首次,用Hummer法制备出GO。然后,通过超声将10mlGO分散在180ml去离子水中,半小时后,加入1.5mL植酸和0.45g三聚氰胺,搅拌,得到棕色沉淀。最后,通过离心洗涤,冷冻干燥的过程得到MPSA / GO。

MoSe2/N,P-rGO的制备:将158mg硒溶解于5mL水合肼中,在85℃下搅拌。然后,将该溶液和MPSA/ GO加入乙醇和溶有242mg钼酸钠二水合物的去离子水混合溶液中,转至50ml反应釜,200℃下反应10h。通过过滤,洗涤,冷冻干燥步骤得到黑色沉淀物。最后,在真空条件下,600℃煅烧5h,得到MoSe2/N,P-rGO。作为对比,通过不加入三聚氰胺,植酸或两者都不加得到MoSe2 / P-rGO,MoSe2 / N-rGO和MoSe2 / rGO复合材料。


参考文献:

FeierNiu, Jing Yang, Nana Wang, Dapeng Zhang, Weiliu Fan, Jian Yang, and Yitai Qian. MoSe2-Covered N,P-Doped Carbon Nanosheets as a Long-Life and High-Rate AnodeMaterial for Sodium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2017, DOI:10.1002/adfm.201700522.

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