Adv. Funct. Mater: 用氮摻雜碳制備棒狀FeSe2用于高性能鈉儲存

【引言】

由于鈉資源的豐富性，鈉離子電池（SIB）引起了極大的關注。在實際應用中，陽極存在儲納容量低和動力學過程緩慢等問題，很難適用于大規模儲能現有電極的機理分為嵌入型（如碳，TiO₂，V₂O₅），轉換型（如CoO，FeS₂，NiSe₂）以及合金類型（例如，Sn，Sb，Bi）。其中，基于轉化反應的材料顯示出更高的鈉儲存容量和更小的體積膨脹。過渡金屬硫族化合物（TMDCs）被認為是轉換型的主要材料。然而，傳統的金屬氧化物（MO）和金屬硫化物（MS）由于固體電解質界面（SEI）膜阻斷了離子的傳輸和多硫化物存在“穿梭”效應使電化學性能惡化。最近的研究報道稱，金屬硒化物（MSe）顯示出高比例容量的超長壽命壽命，源于其高的電子傳導率和低能量轉化反應。為了滿足大規模儲能的需求，應進一步改善，使其在大電流密度具有優異容量且循環壽命長。

【成果簡介】

近日，中南大學的紀曉波教授報道了一種通過簡便的熱解法成功獲得納米蜂窩狀SnS，在1.0 mV s^-1時，電容率貢獻率提高到87％。與塊狀SnS₂相比，具有精心設計的自分支納米陣列的樣品呈現出比表面積增大（從58％到74％）以及極好的電化學性質。用氮摻雜碳包裹的一系列FeSe₂棒狀結構殼通過不同的加熱速率可控地調整。棒狀FeSe₂/N-C被用來誘導降低結晶，減少晶粒，并均勻沉積碳，從而帶來電容貢獻的演變。目標樣品在大電流密度下顯示出超長時間的循環穩定性，在10.0 A g^-1下保持可逆容量為308 mAh g^-1超過10000次循環。這項工作深入地探究顆粒尺寸對電容行為的影響以及制定合適的策略以提高金屬硒化物作為陽極的鈉儲存性能。相關研究成果“Tailoring Rod-Like FeSe₂?Coated with Nitrogen-Doped?Carbon for High-Performance Sodium Storage”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 FeSe₂/N-C的物相表征和成分表征

（a）鈉離子穿梭機制

（b）XRD圖譜

（c）拉曼光譜

（d）TG和DSC曲線

（e）比表面積

（f）PFS-1/2/3的粒度分布

（g）PFS-1和普魯士藍的FTIR曲線

圖二 PFS-1表面上的價態分析

（a）XPS譜，b）Fe2p，c）Se3d，d）C1s和e）N1s的高分辨率光譜

圖三 薄碳涂層的FeSe₂棒狀結構形態和詳細的內部結構表征

（A1-A3）PFS-1，B1-B3）PFS-2和C1-C3）PFS-3，A4）所選擇的區域衍射圖（SAED）的FESEM，TEM和HRTEM圖像，A5）能量色散譜儀（EDS）和A6）映射PFS-3的圖像。

圖四 PFS-1/2/3的電化學表征

（a）循環穩定性

（b）放電/充電曲線

（c）PFS-1/2/3的倍率特性

（d）在高電流密度下的超長期循環穩定性，第8001-8010次循環的充放電曲線譜

圖五 PFS-1/2/3的電化學動力學性質

（a-c）PFS-1，b）PFS-2，c）PFS-3的CV曲線。掃描速率為（0.1,0.3,0.5,0.7和0.9mV s^-1）

（d）0.1 mV s-1的第二個CV曲線

（e）I_p和v^1/2之間的線性關系

（f）PFS-1/2/3的log（i）和log（v）之間的關系

（g-i）PFS-1，h）PFS-2和i）PFS-3的電容貢獻（粉紅色）和擴散貢獻（青色）

（j）各種掃描速率下的電容貢獻率

圖六 EIS分析

（a，d）PFS-1，b，e）PFS-2和c，f）PFS-3的第3,12,20和50個循環 ，

（g）未放電條件下的EIS

（h）PFS-1/2/3的鈉離子擴散系數

圖七 充放電過程中的原位EIS

（a）PFS-1的EIS分析：不同平臺在不同電位下的機理過程，奈奎斯特圖和相應的線性關系w1 / 2與-Z“at

（b，d）放電條件

（c，e）充電條件

圖八 不同放電電位的產物表征

?（A）在0.5mV s^-1時的第500次CV曲線

?（B-E）?在放電B）3.0，C）1.3，D）0.8，和E）0.5V時的PFS-1的TEM，HRTEM和SAED圖像。

【小結】

在這項工作中，通過Fe₄[Fe(CN)₆]₃和Se的熱反應成功制備FeSe2/N-C。由于鐵基材料的各向異性自組裝，棒狀結構通過改變加熱速率進行調控。FeSe2/N-C由較小的晶粒，較低的結晶度和均勻的碳層與Fe-N-C鍵構成。同時，使用電解質（NaCF₃SO₃/DEGDME）和0.5至3.0V的電勢來測試電極。最佳的樣品表現出優異的電化學性能，100次循環后在0.5 A g^-1的電荷容量為426.1 mAhg^-1。500圈循環后，容量保持在5.0 A g-1時393.7 mAhg^-1。即使在10.0 A g^-1的高密度下，它仍然保持優異的循環穩定性和高容量。動力學性質的分析表明，減小的直徑將擴大參與氧化還原反應的離子的能級，增強電容控制的行為，并且減少離子轉移電阻。循環后，原位EIS和非原位技術證實了形態和相演化過程的穩定性。這項工作深入地理解鈉儲存行為的尺寸效應以及在能源儲存領域為調整金屬硒化物提供了新策略。

文獻鏈接：“Tailoring Rod-Like FeSe₂?Coated with Nitrogen-Doped?Carbon for High-Performance Sodium Storage”(Adv. Funct. Mater. 2018,DOI: 10.1002/adfm.201801765)

?本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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