1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

由于Na资源的丰富,钠离子电池成为取代锂离子电池的可持续选择。然而,钠离子电池所面临的挑战是难以调控适当的储钠电极材料嵌入半径较大的Na+(0.102nm,Li+0.076nm),以及Na+在石墨层间的能量不稳定。过渡金属硫化物,由于其层状结构拥有适当的层空间储存Na+,进而提供好的循环容量和可逆性,引起广泛关注。其中,VS2具有0.576nm 的层间距,且研究发现,自旋极化态的单层VS2具有优异的金属性能和低的离子扩散能垒,使其成为研究的热点。然而,其缺陷是由于二维层状结构,在扩散过程中产生各向异性,因此需要确保晶体平面和扩散方向的良好对齐,进而获得最大化的嵌入效率。

近期,华南理工大学杨成浩课题组在钒硫化物研究上取得重大进展,利用球磨方法成功合成了具有多电子和离子路径的三维复合物V5S8,和石墨复合后通过化学剥离方法成功制备出V5S8/石墨混合纳米片(ce-V5S8-C),其作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环和稳定性能。该成果发表在国际著名能源类期刊Energy Environ. Sci.(IF:25.427,2016)


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

图1.VS2(A,C)和V5S8(B,D)结构示意图


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

图2.ce-V5S8(A,C,E,G)和ce-V5S8-C(B,D,F,H)形貌表征


当其作为钠离子电池负极时,首次放电容量为902mA h/g。在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0和10.0A/g电流密度下,比容量分别为682、643、616、584、485、389和344mA h/g。循环性能,在1.0A/g电流密度下循环500次后容量为496mA h/g库伦效率大于99.5%。随后作者给予解释,石墨的加入提高了电子电导率,抑制了体积膨胀,稳定了材料的结构,形成了稳定的SEI膜最重要的是减小了硫溶解到电解液中,从而提升了材料的电化学性能。


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

图3. (A) ce-V5S8充放电曲线,(B) ce-V5S8-C充放电曲线,(C)ce-VS2充放电曲线,(D) ce-V5S8倍率性能,(E) ce-V5S8-C倍率性能,(F) ce-VS2和ce-V5S8的循环性能对比,(G) ce-V5S8和ce-V5S8-C的循环性能对比


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

图4.ce-V5S8-C纳米片的CV曲线


随后作者通过CV测试,来探讨材料电化学性能的提高机理。并且用原位XRD验证了提出的电位依赖钠脱嵌反应机理(potential-dependent sodiation/desodiation reaction mechanisms),该机理包括5个阶段:(1)Na+离子嵌入到V5S8(1.5-0.4V),(2)嵌入反应和转换反应的结合(0.4-0.25V),(3)转换反应,容量的主要贡献过程(0.25-0.01V);(4)和(5)Na2S转换为Na+、V转换为NaxV5S8以及NaxV5S8脱Na+转换为V5S8纳米片。该储钠机理包括嵌入和转换反应:

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

图6.(A,C)充放电曲线,(B)相应的等高线图,(D)相应的in suit XRD曲线,(E) ce-V5S8-C在不同阶段的储钠机理示意图


作者利用球磨方法制备了新的钒硫化物V5S8,再利用化学剥离的方法成功制备了均一的三维单斜结构的V5S8纳米片和石墨混合纳米片材料(12-15层,厚度为6.79-8.49nm),该方法为提高过渡金属硫化物电化学稳定性提供了新的思路。

 

制备方法:

V5S8制备:V2O5和S按化学计量比1:5混合,在Ar氛围下400rpm球磨3h(研磨球和材料重量比10:1)。然后1g的球磨后材料和5g的S分别放置在独立的瓷舟中,先在200煅烧1h,然后在H2(8%)-Ar2(92%)氛围下750℃煅烧2h,升温速率为5℃/min。

ce-V5S8制备:500mgV5S8和2.5mgNaOH放入12mL烧瓶,加入10mLNMP溶液,密封后在冰水浴中超声4h。5000rpm离心10min,取上层液体过滤洗涤,得到ce-V5S8

ce-V5S8-C制备:V5S8和石墨以重量比17:3,在Ar氛围下400rpm球磨3h(研磨球和材料重量比10:1)。然后利用同样的方法进行化学剥离,最后得到的材料在Ar中350℃煅烧2h,升温速率为5℃/min,制得ce-V5S8-C混合材料。

 

C.H. Yang, X. Ou, X.H. Xiong, F.H. Zheng, R.Z. Hu, Y. Chen, M.L. Liu, K. Huang, V5S8–graphite hybrid nanosheets as a high rate-capacity and stable anode material for sodium-ion batteries, Energy Environ. Sci., 2016, DOI:10.1039/c6ee03173k

 

能源学人有大量企业界的从事电池技术行业的读者,如果您对本文中的技术感兴趣或者有些技术参数需要请教,可联系文章通讯作者杨成浩教授。

另外,如果您有非常优秀的工作,也可自荐,能源学人将积极采纳!同时,也欢迎您能推荐他人的优秀成果!


通讯作者介绍:

杨成浩,博士,教授,博士生导师。2011年于美国南卡罗来纳大学机械工程系获得博士学位。2012年2月至2012年7月,在美国能源部前沿能源研究中心(EFRC)-HetroFoam中心工作。2012年7月入选华南理工大学“杰出人才引进计划”,并在环境与能源学院工作。主要从事新能源材料与器件的开发、Raman和X-射线原位分析及其应用研究。在Adv. Mater., Electrochem. Commun., Int. J. Hydrogen Energy和Appl. Phys. Lett.等国际权威杂志上发表SCI论文30余篇,累计被引用400余次,中国授权专利2项,申请美国专利2项。参与主持美国能源部、美国国防部与纽约ENrG, Inc.公司、美国航天局和美国国家自然科学基金等资助项目7项。目前承担华南理工大学“杰出人才引进计划”科研启动基金项目和中央高校基本业务费面上项目各一项。目前的研究领域:固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池和锂离子电池。

电子邮件:esyangc@scut.edu.cn


EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性


第一届“能源学人杯”全国图文摘要作图大赛

满300件作品停止投稿!目前共投42件,请及时转告参赛者!


报名投稿入口,请长按或扫描下方二维码

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

奖项设置:

  • 特等奖1名:奖金3000元+能源学人纪念品+作图兼职签约

  • 一等奖1名:奖金1500元+能源学人纪念品+作图兼职签约

  • 二等奖2名:奖金1000元+能源学人纪念品+作图兼职签约

  • 三等奖3名:奖金500元+能源学人纪念品+作图兼职签约

  • 优秀奖20名:价值100元左右的礼品+能源学人纪念品

  • 每位获奖者还可获得1份价值1000元的国外期刊论文润色消费券

  • 本活动参赛者及终审阶段投票者(凭投票截图)均可享受实验室药品仪器购买优惠折扣


活动对象:

在校专、本、硕、博学生以及博士后,海外学生也可参与。


主办单位:

能源学人微信公众号


协办单位:

  • 麦雅科学图像设计工作室(www.mic-art.com)

  • 北京艾迪润色(www.editorbar.com)

  • 广州博禾生物科技有限公司

  • 广州鹏辉能源科技股份有限公司(www.greatpower.net)


本次活动解释权归能源学人所有。

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

本文主要参考以上所列文献,文字、图片和视频仅用于对文献作者工作的介绍、评论,不得作为任何商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系。

 

声明:

1.本文版权归能源学人工作室所有,欢迎转载,但请注明文章来源并保留我们的微信公众号二维码(邮箱/nyxre1@163.com )

2.因学识所限,难免有所错误和疏漏,恳请批评指正!期待能与大家相互学习交流!

EES|石墨辅助抑制硫溶解实现过渡金属硫化物的高储钠结构稳定性

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论