南開大學陳軍教授Nano Lett. ：具有高容量和快速鈉離子存儲性能的硫化銻-石墨烯化合物

【引言】

由于鈉元素在地球的高含量，鈉電池的低成本已經引起人們廣泛的關注。作為鈉電池的負極材料金屬硫化物因其具備高容量和高度可逆的氧化還原反應近年來得到極大的發展。其中硫化銻因為硫和銻均可儲鈉，因而被人們廣泛的運用到鈉離子電池領域。

【成果簡介】

?目前而言，在鈉電池應用中尋找一種高循環穩定性和高倍率性能的電極材料具有十分重要的作用。近日，來自南開大學陳軍教授和康奈爾大學Lynden A. Archer（共同通訊）在Nano Lett.上發文，題名“High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture”。文中通過一種簡單的水熱方法在石墨烯泡沫上制備Sb₂S₅納米顆粒，并將其作為高性能的鈉電極材料。該材料展現出優異的性能，高容量性能 (電流密度 0.1 A g^?1時，容量為845 mA h g^?1), 高循環穩定性 (在電流密度0.2 A g^?1下循環300圈，容量保持91.6%), 和良好的倍率性能 (電流密度10.0 A g^?1，容量525 mA h g^?1)。該種新型電極材料為以后制備一種安全，高能量密度電池提供了新的思路。

【圖文導讀】

?圖1 Sb₂S₅-GO光學照片和表征圖像

圖a. 水熱前后的Sb₂S₅-GO分散液以及對應部分的3D多孔Sb₂S₅-GF-8復合物光學照片。

圖b. 不同尺寸Sb₂S₅-GF-8化合物的光學照片。

圖c–d. 不同放大倍率的SEM圖像。

圖e. 不同放大倍率的TEM圖像。

圖f. Sb₂S₅-GF-8的EDS圖像。

圖g-i. Sb₂S₅-GF-8化合物(其中Sb₂S₅含量為83%) C, Sb, S元素分布圖。

圖2 Sb₂S₅-GF-8和GO表面表征

圖a. Sb₂S₅-GF-8和GO的拉曼圖。

圖b. Sb₂S₅-GF-8和GO的C 1s XPS圖譜。

圖c. Sb₂S₅-GF-8化合物的Sb 3d XPS圖譜。

圖d. Sb₂S₅-GF-8的氮氣吸附脫附圖，小圖為孔徑分布圖。

圖3 Sb₂S₅-GF-8電極材料的儲鈉機理

圖a. 電流密度為 0.1 A g^-1充放電圖。

圖b. 掃速為0.1 mV s^-1的CV圖。

圖c. 電流密度為0.1 A g^-1時，第二次充放電的原位拉曼圖譜。

圖4 不同條件下，不同電極材料的電化學性能表征

圖a. 倍率性能。

圖b. Sb₂S₅-GF-8與其它硫化物相比的能量密度圖。

圖c. 電流密度為0.2 A g^-1時的循環圖。

圖d. 阻抗圖。

圖e. Sb₂S₅ NPs, Sb₂S₅-GF-9(Sb₂S₅含量90%), Sb₂S₅-GF-8和Sb₂S₅-GF-7(Sb₂S₅含量71%)電極在低頻區的線形擬合圖。

圖6. Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂/C–Sb₂S₅-GF-8全電池電化學性能

圖a. Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂半電池在2.5–4.5 V和Sb₂S₅-GF-8半電池在0.1–2.5 V窗口的CV圖，掃速為 0.1 mV s^–1。

圖b. 電流密度為0.1 A g^–1,電壓窗口為0.6-3.8V的充放電曲線。

圖c. 在電流密度為0.1 A g^–1時的循環和庫倫效率圖。

圖d. 全電池點亮LED燈光學圖。

【小結】

這項工作介紹了一種新型鈉電池負極材料，即Sb₂S₅-GF復合物，其中Sb₂S₅納米顆粒的直徑為5 nm，且均勻分散在石墨烯泡沫表面。Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂/C–Sb₂S₅-GF-8全電池的輸出電壓大致在2.2 V左右，并展示了該全電池穩定的循環性能，電流密度0.1 A g^?1時循環100圈，性能穩定在 828 mA h g^?1)。該種電極材料在未來鈉電池領域具有十分重要的應用價值。

文獻鏈接：High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture（Nano Lett. 2017. DOI: ?10.1021/acs.nanolett.7b00889）

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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。

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