Adv.Energy Mater. 南洋理工大學將Sn納米顆粒封在非晶碳納米管中制備高性能鋰電池負極材料

【成果簡介】

金屬錫（Sn）具有很高的理論比容量（993 mAhg^?1）和合適的低放電電壓，是最有前景的鋰電池負極材料之一。然而，在實際應用中，伴隨著Li⁺的嵌入和脫出，材料體積變化較大，Sn顆粒易破碎，導致電池循環容量衰減較快。將Sn顆粒減小到納米尺寸，可以解決內部應變問題和延緩顆粒的破碎。除此之外，納米結構可以顯著減小Li⁺的擴散長度，進而提高倍率性能。然而，由于Sn納米顆粒的團聚和不穩定的SEI膜，在很多情況下，循環性能仍不理想。

最近，南洋理工大學樓雄文教授（通訊作者）等人采用簡單的模板法，使用MnO_X納米線作為可去除的模板，將Sn納米顆粒封裝于非晶碳納米管中(表示為Sn@aCNT，下同)。用作鋰離子電池負極材料時，Sn@aCNT復合材料均勻分布且具有堅固的aCNT網絡結構，表現出長久的循環穩定性和高倍率性能。當電流密度為0.2 A g^?1時，100次循環后其比容量依然高達749 mA h g^?1。最重要的是，Sn@aCNT電極具有優異的高倍率性能，在1.0 A g^?1電流密度下，達到500次循環時，比容量為573 mA h g^?1。就比容量、循環性能和倍率性能而言，Sn@aCNT的電化學性能是Sn基電極材料中最好的。

【圖文導讀】

圖1 Sn@aCNT復合材料的形成示意圖

MnOx納米線被SnO₂層和PDA(聚多巴胺)涂層不斷地包裹。超細SnO₂納米顆粒均勻地分布在PDA覆蓋層下。選擇性去除MnOx納米線后，然后在還原性氣氛中進行熱處理，PDA涂層轉變為非晶碳納米管（aCNT），SnO₂納米顆粒被還原為相對均勻的Sn納米顆粒(≈70 nm)，最終形成Sn@aCNT混合結構。

圖2 Sn@aCNT復合材料的測試與表征

a ：XRD圖譜。所有的衍射峰都能歸屬于四方相Sn（JCPDS卡片No. 04-0673）。

b,c ：FESEM圖像。碳納米管的長度為1.8–3.8 μm，平均直徑約為100nm，且具有光滑的表面。

d : TEM圖像。Sn納米顆粒被很好地封裝于碳納米管中，類似于豆莢狀結構。

e : SAED圖像。Sn@aCNT具有多晶結構。

f : TEM圖像。Sn納米顆粒的平均粒徑約為70nm，管壁厚度約為20nm左右。

g : HRTEM圖像。面間距0.29nm與四方相Sn（200）晶面的層間距一致。

h : STEM圖像。 ? ??i：EDX圖譜。

j，k，l：Sn@aCNT中C、O、Sn的元素映射圖像。

沿著碳納米管，Sn納米顆粒分布在整個納米管中，清晰地展示了相鄰的Sn納米顆粒之間的空隙。

圖3 Sn@aCNT電極的電化學性能

a. Sn@aCNT電極第一、二次循環的恒流充放電曲線，電流密度為2 Ag^?1。

b. 電流密度為2 A g^?1時，Sn@aCNT電極的循環性能。第二次循環Sn@aCNT電極的放電比容量為1062 mA h g^?1，100次循環后，放電比容量為749 mAh g^?1，容量保存率71%。初始庫倫效率63.2%，隨后逐漸增加，穩定接近100%。

c. Sn@aCNT電極的倍率性能。電流密度為2，0.5，1，2和5 A g^?1時，平均比容量分別為962，831，746，602和377 mAhg^?1。電流密度為1 Ag^?1時，500次循環后，比容量為573 mA hg^?1。

圖4 100循環次后Sn@aCNT電極的測試與表征

a : TEM圖像。 ??b: SAED圖像。 c: 高倍率TEM圖像。

d: HRTEM圖像。 e: STEM圖像。 f: EDX圖譜。

g，h，i：100循環次后Sn@aCNT電極中C，O，Sn的元素映射圖像。

100次循環后，非晶納米Sn仍很好地包裹在碳納米管中。

?【小結】

研究者采用簡單的模板法，將Sn納米顆粒封裝于非晶碳納米管中，獨特的Sn@aCNT混合結構可以顯著提高材料的循環穩定性和倍率性能。該材料是最有潛力的鋰離子電池負極材料之一。該方法為科研者們提供了一個新的想法：或許可以將其它鋰離子電池負極材料封裝于非晶碳納米管中，以此獲得高容量、高性能的電極材料。

文獻鏈接：Encapsulating Sn Nanoparticles in Amorphous Carbon Nanotubes for Enhanced Lithium Storage Properties?(Adv. Energy Mater., ?2016, ?DOI:?10.1002/aenm.201601177)

該文獻導讀由材料人編輯部學術組履冰供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com