北京航空航天大學楊樹斌教授Adv.Energy Mater. ：液相剝離得到的高體積容量鈉電材料金屬銻納米片

【引言】

鈉電池由于價格低廉，環境友好，且原料來源廣泛被人們認為是一種能夠代替鋰電池的新型能源。然而，目前鈉電池依舊面臨許多挑戰，由于鈉離子（1.02埃）大于鋰離子半徑，且鈉離子嵌入和脫出需要更多的能量，因此當把傳統鋰電池負極材料直接用作鈉電材料時，材料儲存離子能力會迅速衰減。就目前而言，傳統碳負極材料用作鈉電池電極材料，其比容量很小（30 – 40 mAh cm^–3）。因此，我們更加關注一些高比容量的金屬氧化物（Sn, Sb, SnO₂, Sb₂O₄）。金屬Sb納米片在鈉電池中理論容量達到660 mAh cm^–3。

【成果簡介】

灰色金屬Sb因具有皺褶和六元環等等微觀結構，長期以來被人們當作二維類石墨烯材料。金屬Sb納米片具有與石墨烯相似的性能，可作為一種新型高性能負極材料用以鈉離子的存儲。近日，來自北京航空航天大學楊樹斌教授在Adv.Energy Mater.上發文，題名“Liquid-Phase Exfoliated Metallic Antimony Nanosheets toward High Volumetric Sodium Storage”。文中介紹了一種簡單高效方法制備金屬Sb納米片，即在異丙醇與特定濃度氫氧化鈉溶液中通過液相剝離Sb金屬粉末的方法來得到金屬Sb納米片。通過控制Sb與石墨烯不同的比例，從而得到一系列的復合膜。實驗表明，石墨烯具有高柔性的特點可抑制金屬Sb在離子嵌入中體積膨脹的問題，使金屬Sb儲鈉性能得到顯著的提高。優化Sb納米片與石墨烯膜使其在鈉離子存儲中具有高體積容量達到1226 mAh cm^–3，以及高倍率性能和高循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1 液相剝離法制備Sb納米片示意圖

圖中所示制備Sb納米片的過程。把塊狀Sb金屬粉末溶于異丙醇溶液中，通過液相剝離的方法得到超薄Sb納米片。將石墨烯與所制備的納米片相混合（比例4：1），通過抽濾和化學還原的方法得到均勻的Sb納米片-石墨烯復合膜。

圖2 純Sb納米片TEM和AFM圖

圖a. 和圖b. 分別是Sb納米片的TEM, HRTEM圖像。

圖c. Sb納米片AFM圖片。

圖d. AFM圖像中箭頭1方向高度分布

圖e. AFM圖像中箭頭2方向高度分布。

從圖中可得到Sb納米片的厚度范圍在3.0 nm到4.3 nm之間。

圖3 Sb納米片-石墨烯復合膜光學照片，SEM以及元素分布圖

圖a. Sb納米片-石墨烯復合膜的光學照片，表明其具有良好的柔性。

圖b. Sb納米片-石墨烯復合膜的SEM照片，可看出其分散均勻。

圖c, d. 具有層堆積結構的Sb納米片-石墨烯復合膜截面SEM圖像。

圖e, f, g, h. 復合膜的元素分布圖像，Sb, C, O元素在膜上分布均勻。

圖4 Sb納米片，Sb納米片-石墨烯復合膜的XRD，拉曼以及XPS圖

圖a, b. 分別是Sb納米片-石墨烯復合膜，Sb納米片，石墨烯，塊狀堆積Sb的XRD和拉曼圖譜。

圖c. Sb納米片-石墨烯復合膜的XPS，圖中看出樣品中并無任何雜質。

圖d, e, f. 分別為Sb的3d, C的1s以及O的1s能譜圖。

圖5 Sb納米片-石墨烯復合膜作為鈉電池電極材料電化學性能圖

圖a. 首兩次電流為0.1 mA cm^?2的充放電曲線。

圖b. 不同負載量在0.1 mA cm^?2下的循環穩定性。

圖c. 負載量為1.6 mg cm^?2時，電流密度從0.2到4.0 mA cm^?2充放電曲線。

圖d. 不同負載量的倍率性能。

圖e 在電流密度4.0 mA cm^?2時的循環穩定性。

【小結】

楊樹斌教授介紹了一種簡單高效的液相剝離金屬Sb粉末方法得到Sb納米片。這種超薄的Sb納米片具有極大比表面，并且可與石墨烯混合構筑均勻的復合膜。在這些復合膜中，由于石墨烯本身具有良好的柔性可抵消Sb的體積變化，并且該復合材料整體密度得到大幅度增加，使得傳統Sb電極材料具有高體積比容量，高倍率性能以及良好循環穩定性。因此可推測Sb納米片在將來能源存儲和電子領域具有廣泛的應用。

文章鏈接：Liquid-Phase Exfoliated Metallic Antimony Nanosheets toward High Volumetric Sodium Storage （Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700447）

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

本文由材料人編輯部新人組吳淏供稿，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。