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石墨烯電池原理:石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結(jié)構(gòu),性能優(yōu)異的鈉離子電池陽極材料

作者: 時間:2017-10-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  【引言】

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201710/365453.htm

  鋰離子電池已在便攜式設(shè)備和電動汽車上得到廣泛應(yīng)用,并在大規(guī)模儲能領(lǐng)域扮演著重要角色。然而,由于地殼中鋰資源的匱乏和分布不均勻,急需尋找新型的儲能材料作為鋰離子電池的補充和替代品。相比較于鋰,鈉表現(xiàn)出類似的電化學(xué)性質(zhì),并在地殼中具有豐富的自然資源;這些優(yōu)勢使鈉離子電池(SIBs)成為非常有潛力的儲能材料之一。目前,許多研究者對于鈉離子電池電極材料進行了相關(guān)探索,但仍然無法滿足陽極材料關(guān)于低價格、高容量和長循環(huán)的要求。

  

  【成果簡介】

  為了獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的鈉離子電池陽極材料,來自華南理工大學(xué)楊成浩教授和南卡羅來納大學(xué)Kevin Huang教授課題組近日在Advanced FuncTIonal Materials上發(fā)表了題為A New rGO-Overcoated Sb2Se3 Nanorods Anode for Na+ Battery: In Situ X-Ray DiffracTIon Study on a Live SodiaTIon/DesodiaTIon Process的文章,并被評為Back Inside Cover封面文章。在該文章中,通過簡便的一步溶劑熱法合成了包覆Sb2Se3多維納米結(jié)構(gòu),并將此復(fù)合物作為鈉離子電池陽極材料。通過原位X射線衍射研究發(fā)現(xiàn),在Sb2Se3充放電過程中發(fā)生了脫嵌反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金反應(yīng),并提供相當高的理論質(zhì)量比容量。但是,在充放電過程中會經(jīng)歷體積膨脹和收縮,甚至造成活性材料的脫落,導(dǎo)致較低的電子傳導(dǎo)率和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。最有效的緩解方法是將Sb2Se3置入碳基底材料中作為體積緩沖器來抑制體積膨脹和改善導(dǎo)電率。由于還原氧化(rGO)具有較大的比表面積,優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性和良好的熱穩(wěn)定性等特點, rGO被認為是Sb2Se3最理想的碳材料基底。

  【圖文導(dǎo)讀】

  圖1. Sb2Se3/rGO復(fù)合物作為SIBs陽極材料的物理表征

  

 ?。ˋ)是X射線衍射圖,(B)是拉曼圖譜,(C)是熱重圖譜;(D-F)是X射線光電子能譜。

  圖2. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的形貌結(jié)構(gòu)表征圖

  

 ?。ˋ-C)分別是純相Sb2Se3的TEM、HRTEM和SAED圖,(D-G)分別是Sb2Se3/rGO復(fù)合物的TEM、HRTEM、SAED和EDX mappings圖。

  圖3. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的電化學(xué)性能表征圖

  

  (A-B)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 mV s-1掃描速率下前五次循環(huán)伏安測試圖。

 ?。–-D)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 A g-1倍率下前五次的充放電測試圖。

 ?。‥-G)分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在不同倍率、0.1 A g-1和1.0 A g-1下的長期循環(huán)測試圖。

  圖4.充放電過程中結(jié)構(gòu)變化及原理示意圖

  

 ?。ˋ)Sb2Se3/rGO電極首次充放電過程中的原位XRD衍射二維輪廓圖。

 ?。˙)Sb2Se3/rGO電極在特定2θ角度下該區(qū)域原位XRD衍射圖。

 ?。–)Sb2Se3/rGO復(fù)合物的儲鈉反應(yīng)機理示意圖。

  圖5. Sb2Se3/rGO電極在首次充放電過程中不同截止電壓下的微觀結(jié)構(gòu)圖

  

  (A-B)分別是Sb2Se3/rGO 在首次放電過程中截止電壓為0.8V和0.01V的TEM/HRTEM圖和相對應(yīng) SAED圖。

 ?。ˋ-B)分別是Sb2Se3/rGO 在首次充電過程中截止電壓為1.5V和3.0V的TEM/HRTEM圖和相對應(yīng) SAED圖。

  圖6. Sb2Se3/rGO電極長期循環(huán)過程示意圖

  

  【小結(jié)】

  通過改善電傳導(dǎo)性和緩解嚴重的體積變化,多維納米結(jié)構(gòu)的Sb2Se3/rGO復(fù)合材料獲得優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。在0.1、1.0和2.0 A g-1不同的倍率下,分別取得682、448和386mAh g-1的可逆質(zhì)量比容量;特別是在1.0 A g-1大倍率下循環(huán)500圈后,仍然能得到417 mAh g-1的可逆比容量,保持率高達90.2%。通過全面有效的對反應(yīng)機理進行分析,特殊的多維納米結(jié)構(gòu)使Sb2Se3和rGO發(fā)揮了協(xié)同作用,對開發(fā)儲鈉性能優(yōu)異的電極材料提供了新的研究思路和理論支持。



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