高首次库伦效率和循环稳定性的钠离子电池研究


发布时间:

2019-09-29

钠离子电池具备安全性高,成本低的优势有望在智能电网的大规模储能上得到应用。SnS2作为钠离子电池的负极材料具有较高的理论比容量,然而首次库伦效率较低,严重阻碍了它的实际应用。

钠离子电池具备安全性高,成本低的优势有望在智能电网的大规模储能上得到应用。SnS2作为钠离子电池的负极材料具有较高的理论比容量,然而首次库伦效率较低,严重阻碍了它的实际应用。近日,PicoFemto®原位电学样品杆(STM-TEM Holder)助力华南理工大学环境与能源学院、美国佐治亚理工学院刘美林教授与华南理工大学杨成浩教授(通讯作者)在Sn基负极材料的钠离子电池的研究上再创突破,相关研究成果以《Fabrication of SnS2/Mn2SnS4/Carbon Heterostructures for Sodium-Ion Batteries with High Initial Coulombic Efficiency and Cycling Stability》为题发表在国际期刊《ACS NANO》上(DOI: 10.1021/acsnano.9b00375)。  

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研究人员利用简单易行的湿化学方法制备了一种SnS2/Mn2SnS4/Carbon (SMS/C NBs) 异质结构,并用于制作钠离子电池的负极材料。测试发现,SMS/C NBs 具有 841.2 mAh /g的初始容量,首次库伦效率高达90.8%。同时,它还表现出优异的倍率性能(在0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 和10.0 A /g 的电流密度下,容量分别可达到752.3, 604.7, 570.1, 546.9, 519.7 和 488.7 mAh /g )。此外,它的循环稳定性也较好(在5.0 A/ g电流密度下,循环500 圈,其容量仍有522.5 mAh /g)。

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利用PicoFemto®STM-TEM Holder, 研究人员分别将SMS/C 和Na@Na2O固定在Au和W针尖上用作电极搭建了微型电池,研究了sodiation/desodiation 过程中电极材料的微观变化来探究材料优异电化学性能的机理。他们发现在通电2min左右负极材料SMS/C的体积膨胀率相对来说较小,表明Mn的引入能够明显阻止纳米尺度Sn的粗化。并且,在脱钠过程后负极材料体积基本恢复到了原来的尺寸。PicoFemto®原位样品杆为直观、实时的研究这一可逆过程提供了强大支撑。此外,结合DFT理论计算和原位XRD表征手段,研究人员发现SnS2/Mn2SnS4 异质结是SMS/C NBs负极材料良好电化学性能的关键所在。SnS2/Mn2SnS4 异质界面能够稳固反应中间产物,防止纳米尺度的Sn0颗粒的粗化,保证了合金化的可逆转变,从而导致较高的首次库伦效率和循环稳定性。此外,异质结构的SMS 和碳网的共同作用能够为电子和钠离子的迁移提供有效通道,从而提高倍率性能。

原文链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.9b00375  

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