北大侯仰龍團隊Energy Environ. Sci.：自支撐SnO2@CF電極助力高性能鉀離子電池

CYM 4年前 (2020-01-31) 5052瀏覽

【引言】

迄今為止，鋰離子電池（LIB）是最常見的電子設備的電源，但隨著便攜式電子產品的飛速發展和電動汽車以及新的基于電池的產品出現，對電池的需求也逐日增加。因此，在長遠發展角度來看，鋰的短缺和分布不均肯定會影響LIB的發展。由于鉀資源豐富，低成本，鉀離子電池（PIB）有望成為LIB的潛在替代品。但是鉀離子具有比鋰離子更大的離子半徑，充放電過程中體積變化更大，因此造成容量的快速衰減，使得PIB的實際應用面臨更大的挑戰。作為一種有前景的堿金屬離子負極材料，金屬氧化物（SnO2，MoO2，TiO2等）具有豐富的自然資源，環境友善且具有較高的理論比容量，引起了研究者的極大關注。其中SnO2作為金屬氧化物的重要組成部分，在鋰離子和鈉離子電池中被用作負極材料而廣泛研究。但是，在鉀離子電池中SnO2儲鉀的性能很少被研究，原因在于SnO2的導電率低，可逆性差和體積變化大，極大地影響了可逆比容量和循環穩定性，限制了實際的應用。為了解決以上問題，先前的研究者通過導電材料修飾SnO2或者特殊的結構設計，從而獲得優異的電化學性能。盡管上述方法已大大改善了SnO2的電化學性能，實際應用SnO2仍然面臨一系列問題。 對于常規粉末電極材料，通常是SnO2復合材料與導電劑和粘合劑混合涂在金屬集流體用作電池電極。 結果，電極材料與電解液接觸不充分，不利于活性物質的充分利用。

?【成果簡介】

近日，北京大學侯仰龍教授（通訊作者）通過簡便的電沉積方法將SnO2納米顆粒錨定在3D碳泡沫上（SnO2@CF），用于鉀儲存的自支撐負極。獲得的SnO2@CF電極具有3D導電網絡結構，能夠與電解液充分接觸，從而促進了K+轉移。受益于這些優點，SnO2@CF電極顯示出高比容量，出色的循環穩定性和倍率性能。此外，通過非原位XPS，XRD和TEM等表征技術揭示了SnO2@CF電極在充放電過程中的相轉變。相關研究成果以“SnO2?Nanoparticles Anchored on Carbon Foam as Freestanding Anode for High Performance Potassium-Ion Batteries”為題發表在?Energy Environ. Sci.上。

?【圖文導讀】

圖一、SnO2@CF電極制備

（a）SnO2@CF電極的合成過程示意圖；

（b）CF的SEM圖像；

（c，d）SnO2@CF的SEM圖像，c的插圖顯示了自支撐SnO2@CF的照片；（e，f）SnO2@CF的TEM和HRTEM圖像；

（g）SnO2@CF的EDS映射圖像。

?圖二、SnO2@CF結構表征（a-c）SnO2@CF電極的（a）XRD圖，（b）拉曼光譜和（c）TG曲線；

（d-f）SnO2@CF電極高分辨率（d）Sn 3d和（e）N 1s XPS光譜，和（f）N2吸附和解吸等溫線。

?圖三、SnO2@CF的儲鉀性能和相變（a）在0.1 mV s-1處的CV曲線；

（b）在不同的充放電狀態下，SnO2@CF電極的X射線衍射圖譜；

（c）電極儲鉀的倍率性能；

（d，e）電極在0.1 A g-1和（e）1 A g-1的電流密度下的循環穩定性。

?圖四、SnO2@CF的儲鉀功能的動力學分析（a）不同掃描速率下的CV曲線；

（b）所有峰的相應的log i vs. log v曲線；

（c）在0.5 mV s-1的條件下的CV曲線和贗電容貢獻（陰影面積）；

（d）在各種掃描速率下的贗電容貢獻（百分比）。

【小結】

綜上所述，作者設計并制備了自支撐的SnO2@CF復合材料作為鉀離子電池的負極材料。SnO2納米粒子被沉積在CF框架上。CF提供了一個三維導電網絡，增加了電子轉移，防止SnO2納米粒子在大體積變化后失去電接觸。同時，SnO2@CF電極和SnO2納米粒子的三維多孔結構有利于電解質的滲透和K+的遷移。因此，SnO2@CF具有高比容量、高倍率性能和優異的循環穩定性。此外，不同掃描速率的循環伏安法表明，贗電容行為對鉀的高倍率性能有重要貢獻。最后，通過X射線光電子能譜、X射線衍射和透射電鏡等分析手段，系統地研究了SnO2@CF儲鉀的反應機理。三維電極的設計思想和制備方法可推廣到其它金屬氧化物/硫化物@碳基復合材料的堿金屬離子存儲中。

（1） 團隊介紹 ；

侯仰龍，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，皇家化學會會士（FRSC），萬人計劃科技創新領軍人才，磁電功能材料與器件北京市重點實驗室主任，北京大學教授。主要從事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在納米生物醫學與能源領域的應用探索研究。發展了單分散磁性納米材料的通用制備方法，探索了磁性納米顆粒在腫瘤等重大疾病的診斷與治療的應用；設計制備了若干納米結構雜化材料用于高性能的鋰/鈉電池電極等。迄今發表學術論文160余篇，引用14000余次，H因子60。申請專利13項，授權10項。獲國家自然科學二等獎1項，教育部優秀科技成果獎自然科學一等獎1項，北京市科學技術獎二等獎1項和中國材料研究會科技獎一等獎1項。在國際和各類雙邊會議上作大會或分會邀請報告50余次。榮獲教育部新世紀優秀人才、北京茅以升青年科技獎、中國化學會-英國皇家化學會青年化學獎、全國優秀科技工作者和科睿唯安高被引科學家（2018, 2019）。

（2）團隊在該領域工作匯總 ；

  • Z.Ali, M.?Asif, X.?Huang, T.?Tang, and Y. Hou, Hierarchically Porous Fe2CoSe4?Binary-Metal Selenide for Extraordinary Rate Performance and Durable Anode of Sodium Ion Batteries, Adv. Mater.?2018,?30, 1802745.
  • Ali, M. Asif, T. Zhang, X. Huang, and Y. Hou, General Approach to Produce Nanostructured Binary Transition Metal Selenides as High‐Performance Sodium Ion Battery Anodes,Small.?2019, 1901995.
  • Qiu, T. Tang, M. Asif, X. Huang, and Y. Hou, 3D Porous Cu Current Collectors Derived by Hydrogen Bubble Dynamic Template for Enhanced Li Metal Anode Performance. Adv. Func. Mater., 2019, 29, 1808468.
  • Wang, D.?Adekoya, J.?Sun, T.?Tang, H.?Qiu, L.?Xu,?S. Zhang,?and?Y.?Hou,?Manipulation of Edge-Site-Fe-N-2 Moiety on Holey Fe, N Codoped Graphene to Promote the Cycle Stability and Rate Capacity of Li–S Batteries,?Adv. Func. Mater., 2019, 29, 1807485.
  • Z.Ali, T. Tang, X.?Huang, Y.?Wang, M. Asif,? Hou,?Cobalt Selenide Decorated Carbon Spheres for Excellent Cycling Performance of Sodium Ion Batteries, Energy Storage Mater., 2018, 13, 19?28.
  • F.Wu,?Zhao, S.?Chen, Y. ?Lu,?Y. Hou, Y. S.?Hu, J.?Maier?and Y.?Yu, Multi-electron Reaction Materials for Sodium-Based Batteries, Mater. Today, 2018,?21, 960–973.

    文獻鏈接：“SnO2?Nanoparticles Anchored on Carbon Foam as Freestanding Anode for High Performance Potassium-Ion Batteries”(Energy Environ. Sci.，2020， DOI:?10.1039/C9EE03682B )

    本文由材料人CYM編譯供稿。

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