ACS Appl. Mater. Inter.：蛋黄-双壳立方体SnS@N-S共掺杂碳作为负极助力高性能锂离子电池和钠离子电池

youyoucao 5年前 (2019-11-17) 4459浏览

【成果简介】

由于拥有轻质，高能量密度和相当长的循环寿命的优点，锂离子电池（LIB）目前已成为便携式电子设备的主要电源。在不久的将来，LIB在电动汽车和电能存储中的大规模应用将不可避免地导致对LIB的快速增长需求，由于地球上的锂储备有限，这可能会大大增加其成本。鉴于此，由于和锂具有相似的氧化还原电位和低成本，钠离子电池（NIBs）引起了极大的关注，并被认为是LIB的潜在替代品。不幸的是，具有有限比容量的传统石墨（LIBs为372 mAh g-1）不能满足高能量密度的要求。此外，已报道石墨不适合用作Na离子的插入宿主，其显示出可忽略的容量。因此，研究者已经进行了许多努力来探索具有增强的电化学性能的新型负极材料用于下一代LIB/NIB。在这些有前途的替代品中，SnS长期以来一直被研究作为替代LIB中石墨的负材料，因为在完全锂化到Li4.4Sn 时，其高理论容量为782 mAh g-1，尽管拥有这些优点，但直接使用SnS作为阳极仍然受到其导电性差和快速容量衰减的极大阻碍，这是由于在充电/放电期间由SnS的体积膨胀大引起的电极严重粉碎。

最近，广东工业大学蔡俊杰博士（通讯作者）和佛山科学技术学院司利平博士通过自板化和选择性蚀刻方法以及热诱导，精心设计了蛋黄-双壳立方体状SnS@N-S共掺杂碳（YDSC-SnS @ NSC ）。在该策略中，ZnSn（OH）6（ZHS）纳米立方体用作形成薄碳壳的模板，所述薄碳壳将SnS包封在蛋黄-壳纳米结构内。通过简易热硫化工艺合成的ZnS-SnS2杂化物的中间产物在蛋黄-壳结构的制备中起关键作用，其可以选择性地去除ZnS组分而保留SnS2在酸浸出的复合材料中。在进一步热处理之后，内部SnS2核部分熔化并分解成SnS核，其同时伴随热和毛细作用驱动的自组装以形成SnS / C双壳。SnS核心和SnS /C双壳之间的空隙空间提供缓冲区和坚固的外壳，以减轻SnS的膨胀。外部碳壳防止聚集并在循环期间保持完整性。此外，这种高导电N和S共掺杂碳壳将促进快速电荷转移并且有利于快速充电/放电能力。基于这些优点，YDSC-SnS@NSC 作为负极表现出增强的Li/Na储存性能。相关研究成果以“Engineering of Yolk−Double Shell Cube-like SnS@N−S Codoped Carbon as a High-Performance Anode for Li- and Na-Ion Batteries”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【核心内容】

图一、通过自模板和选择性蚀刻方法以及加热和毛细管诱导的自组装合成YDSC-SnS @ NSC 的示意图。

    

图二、XRD表征

（a-c）ZHS立方体（a），ZnS-SnS2@PDA（b）和YDSC-SnS@NSC（c）的XRD图谱。

图三、TEM表征

（a，b）ZHS立方体的SEM图像（a）和TEM图像（b）;

（c-g）YDSC-SnS@NSC的典型形态和组成表征： SEM图像（c，d）、TEM图像（e）、HRTEM图像（f）和放大TEM图像（g）;

（h-l）TEM图像和线性扫描曲线（h），以及N，Sn，S和C分布的相应元素映射（i-l）。

图四、XPS分析以及孔径分布

（a-d）DSC-SnS@NSC的XPS全谱（a）和相应的Sn 3d（b），N 1s（c）和S 2p（d）的高分辨率XPS光谱;

（e-g）裸SnS和YDSC-SnS@NSC的TGA曲线（e），N2气体吸附-解吸曲线（f）以及ZnS-SnS@NSC和YDSC-SnS@NSC的孔分布（g）。

图五、锂离子电池电化学性能

YDSC-SnS@NSC作为LIB负极的电化学性能：（a）CV曲线;（b）前三个循环的恒电流充电/放电曲线；（c）循环性能比较；（d）相应的恒电流充电/放电曲线; （e）倍率性能比较；（f）在不同电流密度下的相应恒电流充电/放电曲线;（g）EIS的奈奎斯特图。

图六、钠离子电池电化学性能

YDSC-SnS@NSC作为NIB负极的电化学性能：（a）CV曲线; （b）前三个循环的恒电流充电/放电曲线； （c）长期循环性能为；（d）倍率性能；（e）在不同电流密度下的相应恒电流充电/放电曲线；（f）EIS的奈奎斯特图。

【结论展望】

总之，通过模板和选择性蚀刻方法以及热诱导自组装策略成功合成了YDSC-SnS@N- S共掺杂碳复合材料。这种新结构的形成机理主要是由于SnS2在相同温度范围内熔化和分解成SnS，并且发现SnS的熔点远高于退火温度。熔化的SnS2的一部分粘附在由毛细力驱动的碳壳的内表面上，同时发生凝固过程，从而形成与碳壳紧密接触的稳定SnS层。一方面，具有足够内部空隙空间和坚固双壳的独特结构可有效缓冲锂化和钠化过程中SnS的体积膨胀。另一方面，受益于N和S共掺杂增强了碳壳的电导率，电荷转移动力学显著改善。基于此，YDSC-SnS@NSC作为负极增强了表现出LIB和NIB的电化学性质，这表明YDSC-SnS@NSC 可能是Li和Na离子存储的有希望的候选者。

【文献信息】

Engineering of Yolk−Double Shell Cube-like SnS@N−S Codoped Carbon as a High-Performance Anode for Li- and Na-Ion Batteries，ACS Appl. Mater. Interfaces，2019，DOI: 10.1021/acsami.9b14287

本文由作者供稿。

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