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VS2纳米片高赝电容储钠

钠离子电池以其钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等特点受到了人们的普遍关注,成为替代锂离子电池的首选。高性能电极材料的开发对实现钠离子电池的商业化至关重要。一些正极材料的开发已基本能够满足应用的要求,但负极材料仍制约着钠离子电池的实用化。因此,开发高性能负极材料成为目前重要任务之一。VS2是一种具有层状结构的过渡金属硫化物,V金属被夹层在硫之间。VS2的层间距为5.76 Å,远远大于钠离子的直径(1.96 Å),有利于碱金属的脱嵌和电荷的转移,具有很大的储能潜力。

赝电容电荷存储是另一种重要的能量储存机制,可逆的法拉第反应导致高功率密度和能量密度。这些电荷转移反应发生在活性物质的表面或近表面,与快速的氧化还原反应有关,能够提供高的比电容。因此,设计新型的赝电容电极对于储能是很重要的。

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(a)VS2-SNSs的合成机理图;VS2-SNSs的(b)SEM图;(c)TEM图;(d)HRTEM图;VS2-SNSs和VS2-MNSs的(e)XRD图;(f)拉曼图;(g)VS2-SNSs的EDS图。

近期,武汉理工大学麦立强等人通过简便的一步聚乙烯吡咯烷酮(PVP)辅助组装方法合成VS2堆叠纳米片(VS2-SNSs),作为钠离子电池负极,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Nano Energy上(影响因子:11.553)。


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(a)在电流密度0.2A/g下,VS2-SNSs和VS2-MNSs电极的循环性能图;(b)VS2-SNSs电极的充放电曲线图;(c)VS2-SNSs和VS2-MNSs电极的倍率性能图;(d)在电流密度0.5A/g下,VS2-SNSs电极的循环稳定性能图;(e)VS2-SNSs和VS2-MNSs电极的阻抗图。


作为钠离子电池负极,VS2-SNSs电极表现出良好的储钠性能,循环稳定性和倍率性能。在电流密度0.2A/g下,循环100次后,比容量维持在245 mAh/g;在大电流密度20A/g下,比容量为150mAh/g;在电流密度5A/g下,循环600次后,比容量维持在204 mAh/g。这些电化学数据充分体现了VS2-SNSs电极的优越储能特性。

随后,作者对VS2-SNSs拥有如此优越的电化学性能作出了解释:(1)VS2-SNSs的比表面积大,提供较多的活性位点,更大的电极-电解质接触面积以及增强电荷转移能力,进而加快离子扩散速度和提高倍率性能;(2)VS2-SNS具有高度稳定的框架,可以提供自由空间,缓解循环过程的体积膨胀,提高电极的稳定性。

最后,作者通过原位XRD和非原位TEM表征揭示了VS2可逆的脱嵌反应机制,同时通过详细的电化学动力学分析显示,钠离子电荷存储取决于赝电容,在1mV/s下,其容量贡献率高达69%。

VS2电极优越的电化学性能让其成为最具潜力的下一代储能材料,并为研发新型钠离子储能材料提供了新思路。


材料制备过程:

首先,将1gPVP K-30溶解在30ml去离子水和2ml氨水混合溶液中;其次加入2mmol NH4VO3;再加入20mmol C2H5NS;室温下搅拌1h。转至反应釜中,180℃下反应12h。所得悬浮液经蒸馏水和乙醇离心洗涤,60℃真空干燥12h,又在300℃下煅烧2h,即可得到VS2-SNSs。


参考文献:

Ruimin Sun, Qiulong Wei, Jinzhi Sheng, Changwei Shi, Qinyou An, Sijie Liu, Liqiang Mai,Novellayer-by-layer stacked VS2 nanosheets with intercalation pseudocapacitance for high-rate sodium ion charge storage, Nano Energy 35(2017) 396–404.

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