中物院化工材料研究所張文華&周斌ACS? Nano：銻金屬納米管的電置換反應法制備及其儲鈉性能的研究

【引言】

目前很多研究學者在致力于開發鈉離子電池的倍率性能高、循環穩定性強的負極材料。在這些材料中，銻金屬負極由于理論容量高、導電性強、工作電壓合適而具有很大的希望。但是，它在嵌鈉/脫鈉過程中體積變化巨大，從而發生嚴重的粉化現象，導致容量迅速衰減。一維管狀結構能減輕它的體積變化的問題。最近，大量銻金屬管狀復合電極表現出不錯的倍率性能和長期循環性能，例如雙壁Sb@TiO_2-x納米管和Sb@C同軸納米管。然而，和銻金屬相比，引入碳或者TiO_2-x會降低復合電極的比容量。因此銻金屬納米管是較好的選擇。

【成果簡介】

中國工程物理研究院化工材料研究所的研究員張文華和博士后周斌（共同通訊作者）等人利用電置換反應制備了結構規整的銻金屬納米管。他們通過一系列表征的手段確定該反應的中間產物是?Cu₂Sb。銻金屬納米管作為鈉離子電池的負極材料，在電流密度為10 A g^-1時的儲鈉容量為286 mAh g^-1，在電流密度為1.0 A g^-1的條件下進行6000次循環后保留了74%的容量。而且，銻金屬納米管和Na₃(VOPO₄)₂F 分別作為負極和正極的全電池的能量密度高達252 Wh kg^-1，輸出電壓為2.7V。上述成果于近日發表在ACS? Nano上。

【圖文導讀】

Figure 1. a)銻金屬納米管的合成方法的示意圖；b) 銅金屬納米線的TEM圖； c)銻金屬納米管的XRD圖； d,e)銻金屬納米管的 TEM圖；f,g) 銻金屬納米管的 SEM圖； h) 銻金屬納米管的HRTEM圖； i) 銻金屬納米管的元素分布和能量色散X射線譜。

Figure 2. a) CuCl-DMSO溶液、CuCl₂-DMSO溶液和電置換反應后收集的上清液的UV-vis譜圖；b) CuCl-DMSO溶液、CuCl₂-DMSO溶液和電置換反應后收集的上清液的EPR譜圖； c) 不同反應時間的電置換反應后的產物的XRD譜圖 ； d)?Cu/Sb 不同的條件下制備的產物的XRD譜圖。

Figure 3.a)銻金屬納米管負極的CV曲線；b) 銻金屬納米管負極在第1、2、5、10、25、50個循環的充放電曲線；c) 銻金屬納米管負極、Cu₂Sb@Sb納米管負極和Cu@Cu₂Sb納米管負極的倍率性能； d,e) 銻金屬納米管負極、Cu₂Sb@Sb納米管負極和Cu@Cu₂Sb納米管負極的循環性能

Figure 4. a) Na₃(VOPO₄)₂F和銻金屬納米管組成的鈉離子全電池的示意圖；b)全電池的恒電流充放電曲線；c)全電池的循環性能；d) 全電池的Ragone圖

【小結】

作者團隊通過電置換反應制備的銻金屬納米管作為鈉離子電池的負極材料，表現出優異的儲鈉性能、倍率性能和循環穩定性。而且，銻金屬納米管和Na₃(VOPO₄)₂F組成的鈉離子全電池具有高能量密度和高輸出電壓的特點。該團隊將銻金屬納米管出色的儲鈉性能歸因于其一維的、中空的、具有薄壁的結構。這項成果為除了銻之外的其它合金型金屬的納米管廣泛應用于鈉離子電池的負極材料提供了機遇。

文獻鏈接：Galvanic Replacement Synthesis of Highly Uniform Sb Nanotubes: Reaction Mechanism and Enhanced Sodium Storage Performance（ACS Nano，2019，DOI:10.1021/acsnano.9b01660?）

本文由kv1004供稿。