超轻+高比容!SnS2@GO无纺布无粘结剂钠电负极材料

Rational Design of Layered SnS2 on Ultralight Graphene Fiber Fabrics as Binder-Free Anodes for Enhanced Practical Capacity of Sodium-Ion Batteries

Zongling Ren, Jie Wen, Wei Liu, Xiaoping Jiang, Yanheng Dong, Xiaolong Guo, Qiannan Zhao, Guipeng Ji, Ronghua Wang, Ning Hu, Baihua Qu and Chaohe Xu

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 66

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0297-6

本文亮点 ▍

1 合成了层状/还原石墨烯纤维复合纤维无纺布作为无粘结剂电极。

2 超轻质的石墨烯纤维无纺布可以将电极中活性材料的实际质量占比增加到67.2%,远高于使用Cu或Al箔作为集流体的浆料涂覆电极。

3 基于电极的实际比容量可达到538mAh/g,同样优于浆料涂覆电极。

内容简介 ▍

重庆大学徐朝和研究员团队与厦门大学瞿佰华团队合作,通过电极结构设计并以降低非活性物质在电极中的质量占比为目标,使用超轻质石墨烯纤维无纺布作为钠离子电池负极的导电骨架和柔性集流体,最终显著提升了电极的实际比容量。本论文的第一作者为硕士研究生任宗翎同学。

采用湿法纺丝和抽滤组装的方法制成柔性多孔的氧化石墨烯纤维膜(GOF),再以GOF为基底、采用水热法在GOF中的GO表面原位生长SnO2纳米晶,经高温原位硫化转化后得到层状SnS2纳米片负载还原石墨烯纤维复合无纺布结构(rGF)作为钠离子电池的柔性负极。

因rGF中纤维之间的交联融合,所构建的SnS2/rGF电极具有多孔、连续的导电网络。而SnO2纳米晶原位硫化转化成SnS2的过程可以保留原位生长时纳米晶与石墨烯之间的强界面结合

因此,所构建的无粘结剂柔性钠离子电池负极在0.5 A/g时经500次循环后的容量保持率达500 mAh/g,库伦效率接近100%。而且,SnS2活性物质在电极中的质量占比高达67.2%,远高于使用商用Cu箔、Al箔或碳布作为电极集流体。这充分说明rGF的超轻质特性和三维连续多孔导电骨架结构非常适合作为无粘结剂的钠离子电池柔性负极

/ 研究背景 /

近年来,柔性储能器件逐渐成为电子设备柔性化的关键挑战之一。对于柔性储能器件而言,其核心在于其储能电极的柔性化,即研发具有优异电化学性能的柔性电极。目前,多数柔性电极通过将活性材料涂覆到商用铜箔、铝箔或柔性碳布上,亦或是原位生长到碳布上,这些策略的不足在于,电极中的活性材料的实际质量占比非常低,即非活性组分的质量占比很高,目前的研究论文中高达70%以上,不利于提升柔性电极的实际比容量。因此,针对这一问题,本论文提出引入超轻质的多孔导电碳骨架作为柔性电极骨架,以实现电极实际比容量大幅提升的目的,最终促进柔性储能电池电化学性能的改善。

图文导读 ▍

SnS2@rGF复合无纺布的合成

采用湿法纺丝和抽滤组装法制备GOF,再使用水热法和高温硫化转化法合成SnS2@rGF复合无纺布,如图1所示。

图1 (a)使用湿法纺丝制备轻质石墨烯纤维无纺布及生长层状SnS2纳米片的合成示意图;(b,c) SnS2@rGF复合无纺布的光学照片。

 SnS2@rGF的SEM/TEM结构表征

SEM和TEM结果显示,所得的SnS2@rGF复合无纺布呈现多孔结构,纤维间发生了一定的交联,因此有利于获得结构稳定、导电优良的柔性电极骨架;高倍SEM和TEM显示SnS2为纳米片状结构,如图2所示。图2 SnS2@rGF复合无纺布的(a, b)低倍和(c)高倍SEM照片; (d)TEM照片; (e)HRTEM照片以及EDX元素扫描图谱。

SnS2@rGF复合无纺布的XRD、Raman及XPS表征结果

XRD结果显示高温硫化可将SnO2纳米晶原位转化成SnS2,XPS显示除Sn-S键外,还出现了部分Sn-C键,说明SnS2同石墨烯骨架存在较强的化学作用,有利于载流子的界面传输。

图3 (a)SnO2@rGF和SnS2@rGF复合无纺布的XRD图; (b)GOF和SnS2@rGF复合无纺布的Raman图谱; SnS2@rGF复合无纺布的XPS图谱图: (c)XPS全谱, (d)C1s窄谱, (e)S2p窄谱和(f) Sn3d窄谱。

SnS2@rGF复合无纺布的电化学性能

SnS2@rGF复合无纺布作为钠离子电池负极时,其在0.5 A/g时经500次循环后的容量保持率达500 mAh/g,库伦效率接近100%。而且,SnS2活性物质在电极中的质量占比高达67.2%,远高于使用商用Cu箔、Al箔或碳布作为电极集流体。

图4 SnS2@rGF复合无纺布的电化学性能, (a)CV曲线, (b)恒流充放电曲线, (c)倍率性能,(d)不同电流密度下的循环性能, (e)长循环性能和(f)与商用碳布、Al箔及铜箔的电极质量占比对比图。

作者简介

徐朝和
研究员,博士生导师重庆大学航空航天学院

主要研究领域

研究方向为纳米碳材料的微结构设计与应用、固态电解质的固态界面、锂/钠离子电容器及柔性储能器件以及金属-空气电池、锂-硫电池、锂电池等新型化学电源等。

主要研究成果

迄今,已发表学术论文60余篇,他引2900余次,承担多个国家和省部级科研项目。E-mail: xche@cqu.edu.cn

瞿佰华

副教授,硕士生导师

厦门大学萨本栋微纳米科学研究技术研究院

主要研究领域

研究方向为新型钠离子(金属)电池、室温钠硫电池,锂离子电池等。

主要研究成果

已在Advanced Materials, Journal 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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