ACS Appl. Mater. Inter.：蛋黃-雙殼立方體SnS@N-S共摻雜碳作為負極助力高性能鋰離子電池和鈉離子電池

youyoucao 4年前 (2019-11-17) 3809瀏覽

【成果簡介】

由于擁有輕質，高能量密度和相當長的循環壽命的優點，鋰離子電池（LIB）目前已成為便攜式電子設備的主要電源。在不久的將來，LIB在電動汽車和電能存儲中的大規模應用將不可避免地導致對LIB的快速增長需求，由于地球上的鋰儲備有限，這可能會大大增加其成本。鑒于此，由于和鋰具有相似的氧化還原電位和低成本，鈉離子電池（NIBs）引起了極大的關注，并被認為是LIB的潛在替代品。不幸的是，具有有限比容量的傳統石墨（LIBs為372 mAh g-1）不能滿足高能量密度的要求。此外，已報道石墨不適合用作Na離子的插入宿主，其顯示出可忽略的容量。因此，研究者已經進行了許多努力來探索具有增強的電化學性能的新型負極材料用于下一代LIB/NIB。在這些有前途的替代品中，SnS長期以來一直被研究作為替代LIB中石墨的負材料，因為在完全鋰化到Li4.4Sn 時，其高理論容量為782 mAh g-1，盡管擁有這些優點，但直接使用SnS作為陽極仍然受到其導電性差和快速容量衰減的極大阻礙，這是由于在充電/放電期間由SnS的體積膨脹大引起的電極嚴重粉碎。

最近，廣東工業大學蔡俊杰博士（通訊作者）和佛山科學技術學院司利平博士通過自板化和選擇性蝕刻方法以及熱誘導，精心設計了蛋黃-雙殼立方體狀SnS@N-S共摻雜碳（YDSC-SnS @ NSC ）。在該策略中，ZnSn（OH）6（ZHS）納米立方體用作形成薄碳殼的模板，所述薄碳殼將SnS包封在蛋黃-殼納米結構內。通過簡易熱硫化工藝合成的ZnS-SnS2雜化物的中間產物在蛋黃-殼結構的制備中起關鍵作用，其可以選擇性地去除ZnS組分而保留SnS2在酸浸出的復合材料中。在進一步熱處理之后，內部SnS2核部分熔化并分解成SnS核，其同時伴隨熱和毛細作用驅動的自組裝以形成SnS / C雙殼。SnS核心和SnS /C雙殼之間的空隙空間提供緩沖區和堅固的外殼，以減輕SnS的膨脹。外部碳殼防止聚集并在循環期間保持完整性。此外，這種高導電N和S共摻雜碳殼將促進快速電荷轉移并且有利于快速充電/放電能力。基于這些優點，YDSC-SnS@NSC 作為負極表現出增強的Li/Na儲存性能。相關研究成果以“Engineering of Yolk?Double Shell Cube-like SnS@N?S Codoped Carbon as a High-Performance Anode for Li- and Na-Ion Batteries”為題發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【核心內容】

圖一、通過自模板和選擇性蝕刻方法以及加熱和毛細管誘導的自組裝合成YDSC-SnS @ NSC 的示意圖。

????

圖二、XRD表征

（a-c）ZHS立方體（a），ZnS-SnS2@PDA（b）和YDSC-SnS@NSC（c）的XRD圖譜。

圖三、TEM表征

（a，b）ZHS立方體的SEM圖像（a）和TEM圖像（b）;

（c-g）YDSC-SnS@NSC的典型形態和組成表征： SEM圖像（c，d）、TEM圖像（e）、HRTEM圖像（f）和放大TEM圖像（g）;

（h-l）TEM圖像和線性掃描曲線（h），以及N，Sn，S和C分布的相應元素映射（i-l）。

圖四、XPS分析以及孔徑分布

（a-d）DSC-SnS@NSC的XPS全譜（a）和相應的Sn 3d（b），N 1s（c）和S 2p（d）的高分辨率XPS光譜;

（e-g）裸SnS和YDSC-SnS@NSC的TGA曲線（e），N2氣體吸附-解吸曲線（f）以及ZnS-SnS@NSC和YDSC-SnS@NSC的孔分布（g）。

圖五、鋰離子電池電化學性能

YDSC-SnS@NSC作為LIB負極的電化學性能：（a）CV曲線;（b）前三個循環的恒電流充電/放電曲線；（c）循環性能比較；（d）相應的恒電流充電/放電曲線; （e）倍率性能比較；（f）在不同電流密度下的相應恒電流充電/放電曲線;（g）EIS的奈奎斯特圖。

圖六、鈉離子電池電化學性能

YDSC-SnS@NSC作為NIB負極的電化學性能：（a）CV曲線; （b）前三個循環的恒電流充電/放電曲線； （c）長期循環性能為；（d）倍率性能；（e）在不同電流密度下的相應恒電流充電/放電曲線；（f）EIS的奈奎斯特圖。

【結論展望】

總之，通過模板和選擇性蝕刻方法以及熱誘導自組裝策略成功合成了YDSC-SnS@N- S共摻雜碳復合材料。這種新結構的形成機理主要是由于SnS2在相同溫度范圍內熔化和分解成SnS，并且發現SnS的熔點遠高于退火溫度。熔化的SnS2的一部分粘附在由毛細力驅動的碳殼的內表面上，同時發生凝固過程，從而形成與碳殼緊密接觸的穩定SnS層。一方面，具有足夠內部空隙空間和堅固雙殼的獨特結構可有效緩沖鋰化和鈉化過程中SnS的體積膨脹。另一方面，受益于N和S共摻雜增強了碳殼的電導率，電荷轉移動力學顯著改善。基于此，YDSC-SnS@NSC作為負極增強了表現出LIB和NIB的電化學性質，這表明YDSC-SnS@NSC 可能是Li和Na離子存儲的有希望的候選者。

【文獻信息】

Engineering of Yolk?Double Shell Cube-like SnS@N?S Codoped Carbon as a High-Performance Anode for Li- and Na-Ion Batteries，ACS Appl. Mater. Interfaces，2019，DOI: 10.1021/acsami.9b14287

本文由作者供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.

分享到