NML研究文章|氮掺杂SnO2-Co-C三元复合结构:锂离子电池负极材料

High Initial Reversible Capacity and Long Life of Ternary SnO2-Co-carbon Nanocomposite Anodes for Lithium-Ion Batteries

Pan Deng, Jing Yang, Shengyang Li, Tian-E Fan*, Hong-Hui Wu, Yun Mou,Hui Huang, Qiaobao Zhang*, Dong-Liang Peng, Baihua Qu*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 18

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0246-4

    本文亮点    

1  以一种简单的液相合成加惰性气氛下煅烧原位制得SnO2和Co、氮掺杂碳框架均匀分布的三元复合物。

2  探究了不同含量Co、C对复合材料储锂性能的影响并分析了个中差异的原因。

3  将所得复合物作为锂离子电池负极,得到一种高库伦效率、长循环寿命的负极材料。

         内容简介       

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等一系列优势,不论是在便携式电子设备还是电动汽车,大规模能量储存等领域都具有先天的主导优势。

但是现今商用的石墨负极有限的可逆比容量极大限制了锂离子电池的进一步发展应用,寻找一种可替代石墨负极的新型负极材料亦显得尤为关键。

锡基负极一直被认为是一种极具潜力的负极材料,其中SnO2更是具有1494 mAh/g的可逆比容量,但由于首圈库伦效率较低和充放电过程巨大的体积膨胀严重制约了其商业应用。

现阶段主要的改性方法为纳米化和碳包覆,但是传统上的纳米化及碳包覆都会使得原本很低的库伦效率变得更低,且无法有效抑制体积膨胀问题

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厦门大学瞿佰华副教授和张桥保助理教授课题组利用简单液相法,通过以Co基MOF材料ZIF-67为模板,合成了氮掺杂SnO2-Co-C三元复合(N-u-SCC)负极材料。

这种材料不仅包含了纳米化SnO2,还原位复合了过渡金属钴和掺氮碳框架。该复合负极材料表现出大幅提升的首圈库伦效率和循环寿命等优异的储锂性能。

      图文导读     

SnO2N-u-SCC复合物的微观形貌

本文中制备的SnO2颗粒均匀、分散性良好,N-u-SCC复合物具有与ZIF-67类似的多面体框架结构,该结构有利于防止颗粒之间的聚集,并且可将SnO2颗粒通过碳框架链接为一个整体。

图1 SnO2及N-u-SCC复合材料形貌图。(a,d)纯SnO2,(b,e)N-u-SCC-1复合物,(c,f)N-u-SCC-2复合物SEM形貌图。

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N-u-SCC-2复合物的储锂性能

图2为SnO2、N-u-SCC-1和N-u-SCC-2三种电极在200 mAh/g电流密度下测试时的首圈库伦效率(ICE)对比图,可以看出N-u-SCC的ICE有了大幅提升,特别是N-u-SCC-2电极的平均ICE可达82.2%。

图2 SnO2、N-u-SCC-1和N-u-SCC-2电极的首圈库伦效率对比图。

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图3 用于锂离子电池负极的N-u-SCC-2的电化学性能。(a)N-u-SCC-2的CV,(b)200 mAh/g电流密度下的充放电曲线,(c)不同循环圈数下的容量微分曲线,(d)200 mAh/g电流密度下的循环性能图,(e)500 mAh/g电流密度下的长循环图。

具体而言,图3为N-u-SCC-2电极的电化学性能图,可以看出该电极不但具有很高的可逆比容量和循环稳定性(100次循环后可逆比容量仍高达975 mAh/g),而且大电流下也具有优异的长循环寿命和可逆比容量。

图3c中不同循环圈数下电容微分曲线也证明了该电极的转化反应可逆性较好。

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小结

原位复合的过渡金属钴和掺氮碳框架使得N-u-SCC复合材料具有优异的储锂性能。

Co存在的主要作用抑制主体材料体积变化和颗粒团聚的强力屏障,增大脱嵌锂过程中Sn和Li2O的接触面积,使得电极的ICE显著提高,不参与电化学反应。

掺N碳的主要作用增加导电性、提供体积变化空间、缓解体积膨胀,进而延长电极使用寿命。

两者相辅相成使得该SnO2-Co-C材料展现出优异的电化学性能。

作者简介

张桥保

(本文通讯作者)

助理教授

厦门大学材料学院

主要研究方向:

高性能锂/钠/钾离子电池超级电容器储能器件原位电镜储能机理研究。

以第一,共同第一/通讯作者在Chem Soc RevProg Mater SciEnergy Environ. SciAdv. Energy MaterNature CommunAdv. Funct. MaterACS Nano (3)Nano Energy (6)Nano LetterEnergy Storage MaterialsACS Catalysis 等国际期刊上发表SCI论文30余篇,其中五篇入选ESI高被引论文,单篇最高被引超550次。

先后主持国家自然科学基金,厦门大学校长基金,福建省产学研引导项目,西南科技大学开放课题,吉首大学锰锌钒产业协同中心开放课题和参与国家重点研发计划“智能电网技术与装备”固态电池重点专项。

E-mail: zhangqiaobao@xmu.edu.cn

瞿佰华

(本文通讯作者)

副教授

厦门大学

萨本栋微米纳米科学技术研究院

主要研究方向:

新型钠离子(金属)电池室温钠硫电池锂离子电池等微纳储能器件。

Advanced MaterialsJournal of Power Sources 等材料及电化学能源期刊上发表SCI论文50余篇,论文SCI总引2600余次。

E-mail: bhqu@xmu.edu.cn

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