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ACS Nano|赝电容辅助钠离子快速存储

ACS Nano|赝电容辅助钠离子快速存储

近些年,储量丰富和价格低廉的钠(Na)元素促进了钠离子电池的演化,但其实际运用还受限于低的比容量和差的倍率性能。就单电极而言,在维持高的比容量同时追求高的倍率性仍旧存在极大的挑战。目前,钠离子的储存机理包括扩散控制的嵌入、转换、合金化过程,以及表面诱发电容性过程(包括表面及表面下原子间电荷转移所产生的法拉第电容和双电层产生的非法拉第电容)。表面诱发电容性过程能够提供倍率性能。如何使材料具备该过程,从而使其具有更高的倍率性能,是目前钠电电极材料研究的热点。

近期,南阳理工大学Shen等人用简单温和的方法制备了一种柔韧的自我分支的二维二硫化锡(B-SnS2纳米排列电极,其应用在钠离子电池表现出优异的质量比容量和面积比容量。该成果发表在ACS Nano(IF:13.33,2016)


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图1.材料表征


ACS Nano|赝电容辅助钠离子快速存储

图2.(a-e)材料的电化学性能,(f)SnS2不同边缘位置能量组件示意图,(g)不同边缘位置边缘生成能


该纳米阵列电极表现出的面积可逆比容量达到3.7mAh/cm2(900mAh/g)。即使在40mA/cm2(10A/g)条件下,还可获得高达1.6mAh/cm2(400mAh/g) 的面积比容量。该优异的面积比容量超过碳材料、金属/合金、金属氧/硫化物等其它钠电负极材料,甚至可以和具有高面积比容量的锂电负极材料相比。随后,作者利用密度泛函理论中的第一性原理对该优异的性能做出了理论计算,结果表明高的比容量来源于二维二硫化锡(B-SnS2)电极暴露的边缘。Sn的边缘被不饱和的硫边缘覆盖,形成的结构最稳定(见上图)。并且暴露的不饱和硫边缘更利于活性位点的引入快速电荷转移的提升以及离子吸附。高的倍率性能被同样的理论证实,计算发现钠离子在二维二硫化锡(B-SnS2表面扩散能垒仅为0.065eV,这远小于其它二维电极材料(MoS2为0.11eV)。

近年来,理论计算在电池材料的设计和应用中被广泛应用,本文值得学习的是如何将理论计算与实验相结合,通过理论计算从数学的角度来解释材料优异性能,给人以更加信服的解释。



材料制备过程:

  1. 取0.8g四氯化锡(SnCl4)和0.6g硫代乙酰胺在80℃下加入50mL乙醇中形成透明溶液

  2. 将石墨烯泡沫浸入上述制备好的溶液,40分钟后加入50mL乙醇溶液

  3. 继续反应40分钟后取出,用去离子水和乙醇清洗反应产物

  4. 最终得到的模板产物在真空60℃干燥,得到3D石墨烯泡沫支撑的自我分支二维SnS2超薄独立电极。 

 

Dongliang Chao, Pei Liang, Xiaoxu Liu, XinhuiXia, Yanli Zhao, Jianyi Lin, and Ze Xiang Shen, Pseudocapacitive Na-Ion Storage Boosts High Rate and Areal Capacity of Self-Branched 2D Layered Metal Chalcogenide Nanoarrays, ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b05566

 

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