湖南大学张明教授:线团状高容量SIB电极

ThreeDimensional Selfassembled HairballLike VS4 as HighCapacity Anodes for Sodium-Ion Batteries

Shuangshuang Ding, Bingxin Zhou, Changmiao Chen, Zhao Huang, Pengchao Li, Shuangyin Wang, Guozhong Cao, Ming Zhang* 
Nano-Micro Lett.(2020)12:39
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0377-7
本文亮点
1 通过一步水热法构建了由螺旋纳米线组成的毛线团状VS4
2 制备的毛线团状VS4在室温环境中对于钠离子的储存表现出高容量和长周期稳定性的特征,并且可以承受剧烈的温度变化。
3 非原位表征和电化学动力学分析的数据表明VS4储钠机制随循环次数的增加而变化。
研究背景

钠离子电池由于具有与锂离子电池相似的理化性质且资源丰富,成为目前有望取代锂离子电池的新一代储能器件。然而,钠离子的半径比锂离子大,大的离子半径更难以在电极材料之间反复的嵌入和脱出,从而导致电极材料结构破坏严重,倍率性能差。因此,开发能够适应钠离子快速、稳定地插入/提取的活性材料可能是促进钠离子电池发展的关键。

内容简介

湖南大学张明教授课题组首次采用简单的一步水热法制备了由螺旋纳米线组成的毛线团状VS4,揭示了其形态演化机理。所得的毛线团状VS4作为钠离子负极材料时展示出优异的可逆容量,其无论在室温还是0℃时均具有出色的电化学性能,这主要归功于其独特的结构和储钠机理。在此基础上,研究者利用非原位表征、循环伏安法和电化学动力学分析的方法探究该材料的储钠机理。结果表明,VS4的储钠机制随循环次数的增加而变化。这项工作可为在电池、半导体器件和催化剂领域合成和应用的富硫化合物提供基础。
图文导读

I VS4的形貌结构表征

首先将一定量的钒酸钠和硫代乙酰胺通过磁力搅拌溶解在去离子水中,再通过简单的一步水热法得到纯的VS4,并且通过改变反应时间优化其形貌,最终得到毛线团状VS4。如图1所示,制备的VS4的微球由平均直径约为150 nm的螺旋纳米线组装而成,其直径约1μm。HRTEM图通过晶格证实了生成的是VS4。元素分布图展示了V、S元素沿VS4微球均匀分布。这种独特的毛线团状的结构可以提供丰富的活性位点,同时有效的缩短离子的扩散路径,有利于获得优异的电化学性能。

图1 毛线团状VS4的形态特征。(a-c)SEM图;(d,e)VS4的TEM元素分析图,清楚地表明V、S元素沿VS4纳米球均匀分布;(f,g)VS4的TEM和HRTEM图像。

II VS4的电化学性能表征

图2说明VS4作为钠离子电池的负极材料时展示优异的电化学性能。该材料在1 A/g电流密度下的比容量可达660 mAh/g,即使在20 A/g高的电流密度下比容量仍然保持在101 mAh/g,而且该材料经过1000次循环后其库伦效率可保持在99.9 %。另外,在测试温度为零度、电流密度为1 A/g时该材料的比容量仍可达591 mAh/g。值得注意的是循环曲线表现出先降后升的趋势,这主要归因于VS4独特的储钠机理。

图2 毛线团状VS4的储钠性能:(a)CV曲线;(b)室温下的循环性能曲线;(c)室温下的倍率性能曲线;(d)充放电曲线;(e)低温下的循环性能曲线;(f)低温下的倍率性能曲线;(g)大电流密度下的循环性能曲线。

III VS4储钠机理的研究
图3,4说明VS4的储钠机制随循环次数的增加而变化。VS4电极储存Na+的机制由三步分离机制构成:首先,在最初的十个循环中VS4、Na2S和V的转化是部分可逆,所以使得比容量减小;第二,随后容量的增加可以归因于Na2S和S之间可逆的转化反应的增加用以存储Na+;最后,稳定阶段可以通过Na2S和S之间的可逆转化反应来描述,这被认为是Na-S电池的主要反应机理。另外,电化学动力学分析的结果表明制备的VS4在100个循环后具有较高的Na+储存能力,这可归因于此时的电极拥有较低的Rct和Warburg因子,以及高的离子电导率。
图3 VS4电极在第二个循环中的Na+存储机制:(a)CV曲线上不同放电和充电状态取点以及(b)相对应的非原位XRD图。

图4 (a)VS4电极材料经历不同循环次数后的非原位XRD图;(b,c)VS4电极材料经过100个循环后在完全充电状态下(b)V 2p和(c)S 2p的高分辨XPS光谱;(d-f)VS4电极材料经过100个循环后在完全充电状态下的TEM和SEAD图;(g)不同循环次数后的Nyquist图;(h)不同循环次数后的离子电导率值图;(i)不同循环次数后的Warburg因子图。
作者简介

丁双双

本文第一作者

湖南大学物理与微电子科学学院

主要研究领域

钠、钾离子电池的纳米材料的设计和合成。
Email: 1434766089@qq.com

张明

本文通讯作者

湖南大学物理与微电子科学学院

教授、博士生导师、岳麓学者

主要研究领域
碳基复合材料及其储能器件、超敏感气体探测器

主要研究成果

发表了90多篇论文,被引用3400多次。

主页链接 

https://www.scholarmate.com/P/mzhang_hnu

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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