Adv. Funct. Mater. 類海膽結構CoSe2用作高性能鈉離子電池負極材料

【背景簡介】
得益于鈉元素儲量豐富，鈉資源分布廣泛，價格低廉，鈉離子電池成為了研究的熱點，有望成為鋰離子電池的替代者。然而，鈉離子半徑較大，是鋰離子半徑的1.34倍，這就使得其反應動力學和循環性能穩定性較差。在鋰離子電池發展的基礎之上，鈉離子電池的正極材料的發展也取得了很大的進展，然而基于鈉離子電池負極材料的研究卻面臨著很大的挑戰。石墨、硅、Li4Ti5O12 是鋰離子電池最常用的負極材料，當用于鈉離子電池時存在諸多了問題。因此，人們將目光放于Sn、Sb、Fe2O3及MoS2的合金和轉換反應之上，通過碳改性和降低粒子尺寸，上述材料可以表現出優異的循環和倍率性能，但同時也會導致其實際體積能量密度的降低，因此，需要提出新方法，找尋新材料來發展鈉離子電池負極材料。

研究發現，通過優化電解質和電壓窗口，過渡金屬硫族化合物可以獲得高倍率性能和長期循環性。其中，CoSe2具有類似于白鐵礦的結構，可廣泛用于析氫，Li-O2電池，水氧化催化劑以及染料敏化太陽能電池和超級電容器的電極。當CoSe2用于鋰離子電池的負極材料時，表現出了良好的循環性能和倍率性能，但是在有關鈉離子電池方面的研究進行的還較少。來自南開大學能源材料化學教育部重點實驗室的陳軍教授研究小組與韓國東國大學Yong-Mook Kang 教授研究小組共同合作對CoSe2作為鈉離子電池負極材料時的性能進行了研究。

【圖文導讀】
圖一、制備所得CoSe2的相分析：a）XRD；b）晶體結構圖

圖二、制備所得CoSe2的形貌特征：a）SEM；b）TEM；c）HRTEM；d）SAED（區域電子衍射圖）

圖三、制備所得CoSe2循環性能分析：a）不同周期的充放電曲線； b）電流密度為1 A g?1時，其循環性能測試

圖四、制備所得CoSe2：a）動力學測試：電流密度為1 A g?1時，進行50個循環后測試其倍率性能；b）在電壓測試范圍為0.5–3.0 V時相應的充放電曲線；c）不同的掃描速率下的 CV曲線；d）每一個氧化還原峰處，log i versus log v相對應的曲線（峰值電流：i，掃描速度：v）；e）不同掃描速度時，贗電容所占百分比的柱狀圖; f）掃描速度為1 mV s?1時，CV曲線中贗電容部分如圖暗青色區域所示。

圖五、a）對應于充放電曲線中不同充放電狀態時，CoSe2電極原位XRD分析，其中測試時，需用封口膜保護CoSe2電極；b）CoSe2電極在完全充電狀態下無集流體時的XRD圖；CoSe2電極在完全充電（3.0V）（c）和放電（0.5V）（d）時的SAED圖；e）與Co及CoSe2的對比，不同循環狀態時CoSe2電極的邊緣X射線吸收光譜。

圖六、測試電壓范圍為0.5-3.0V，使用醚類電解質進行循環時，CoSe2的反應機理的示意圖

圖七、Na3V2(PO4)3/CoSe2 全電池，其中Na3V2(PO4)3過量 ，在電流密度為0.5 A g-1時，a）不同循環時的充放電曲線；b）循環性能測試

【小結】
在使用醚類電解質，電壓測試范圍在 0.5?3.0 V條件下，通過溶劑熱法制備出的由納米棒組裝形成的類海膽結構CoSe2表現出了優異的儲鈉特性。在電流密度為1 A g?1下進行1800個循環后，CoSe2仍表現出0.410 Ah g?1的較高可逆容量。在10 A g?1和 50 A g?1的較高倍率下，CoSe2的容量仍可達到 0.354Ah g?1和0.097 Ah g?1。此外， Na3V2(PO4)3/CoSe2 全電池也表現出良好的性能，具有0.380 Ah g?1的較高可逆容量。類海膽結構的CoSe2對于促進過渡金屬硫族化合物用作高性能鈉離子電池電極材料的研究起到了推動作用。

文獻鏈接：Urchin-Like CoSe2 as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries

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