近日，华南理工大学杨黎春教授团队在Energy & Environmental Materials上发表了题为“Dual-Carbon-Confined SnS Nanostructure with High Capacity and Long Cycle Life for Lithium-ion Batteries”的研究论文。该团队构建了一种双碳限制的 SnS 纳米结构（表示为 SnS@C/rGO）。rGO 的双碳和原位形成的碳涂层限制了高温煅烧过程中 SnS 的生长。在可逆的 Li+ 存储过程中，双碳改性可实现良好的电子导电性，减轻体积效应，即使在重复循环后也为 SnS 的电接触提供双重保险。受益于双碳限制，与裸碳和单碳改性 SnS 相比，SnS@C/rGO 表现出显着增强的倍率性能和循环稳定性。SnS@C/rGO 在 0.2 A g-1 下的可逆容量为 1029.8 mAh g-1。即使在 1 A g-1 的高电流密度下，它最初也能提供 934.0 mAh g-1 的可逆容量，并在 330 次循环后保持 98.2% 的容量 (918.0 mAh g-1)。这项工作证明了双碳改性在开发高性能锂离子电池电极材料中的潜在应用。
文章简读
由于电动汽车和智能电网的快速发展，锂离子电池 (LIB) 正面临着前所未有的挑战，以满足不断增长的更高功率密度和能量密度的需求。 然而，商业 LIB 的容量在受到传统石墨负极的限制，其理论容量仅为372 mAh g-1。过渡金属硫化物是石墨的有前途的替代品，因为它们的高容量源于转化机制。在过渡金属硫化物中，具有两种电化学活性元素的用于 Li+ 存储的 SnS 受到了极大的关注。结合转化和合金化/脱合金反应使 SnS 具有 1136 mAh g-1 的高理论比容量，并且高本征电化学电导率实现了潜在的高倍率能力。
然而，在锂化/脱锂过程中 SnS 的剧烈体积变化会导致电极断裂甚至粉化，导致容量快速下降。为了解决这个问题，已经报道了各种方法，主要分为两种基本策略。一种策略是减少 SnS 的维度。较小尺寸的 SnS 可以缩短 Li+ 扩散的路径并释放由体积变化引起的应变。另一种是用碳质材料构建复合材料。碳的引入可以有效地提高电导率并缓冲体积变化。由于 SnS 通常是通过在高温下还原 SnS2 前驱体来制备的，因此在制备过程中 SnS 颗粒的生长和团聚是不可避免的。在这种情况下，通过碳材料限制 SnS 对于实现高性能可逆 Li+ 存储的制备至关重要。
在此，作者构建了一种双碳限制的 SnS 纳米结构，其中还原氧化石墨烯 (rGO) 支撑的 SnS 纳米片被半石墨化碳包覆（复合材料表示为 SnS@C/rGO）。在制备过程中，SnS2 纳米颗粒首先通过水热反应分散在 rGO 纳米片上。在随后的煅烧过程中，SnS2 纳米颗粒被还原为 SnS 并同时被乙醇蒸气衍生的碳包覆。在水热反应中，GO中丰富的-OH和-COO-官能团提供了许多吸附锡离子的锚定位点，确保了SnS2纳米颗粒的良好分散，避免了后续煅烧中纳米颗粒的紧密接触，从而阻碍了SnS的生长。此外，在煅烧中原位形成的碳涂层进一步限制了 SnS。因此，与 rGO 载体或碳涂层的单碳改性相比，双碳结构在高温煅烧过程中提供了更好的 SnS 限制。因此，双碳改性可实现更好的电子导电性，更有效地缓解体积效应，即使在重复放电/充电循环后，也为 SnS 的电接触提供双重保险。受益于双碳限制，SnS@C/rGO 作为锂离子电池的负极材料表现出显着增强的倍率性能和循环稳定性。
两步法成功制备的双碳限制 SnS 纳米结构中， rGO 和半石墨碳涂层的双碳限制了高温煅烧过程中 SnS 的生长，实现了良好的电子导电性，并减轻了可逆 Li+ 存储过程中的体积效应。作为锂离子电池的负极材料时， SnS@C/rGO 表现出高倍率性能和优异的循环稳定性， 在 1 A g-1 下，在330次循环中提供 927.7 mAh g-1 的高放电容量。 此外，作为全电池SnS@C/rGO//LiFePO4的阳极时，SnS@C/rGO提供了890.4 mAh g-1 的高初始可逆容量，并在55个循环后保持 506.8 mAh g-1。 这项工作证明了双碳限制结构在开发高性能锂离子电池负极材料方面具有广阔的应用前景。
Min Lin,Deliang Cheng,Jiangwen Liu,Liuzhang Ouyang,Renzong Hu,Jun Liu,Lichun Yang*,Min Zhu.Dual-Carbon-Confined SnS Nanostructure with High Capacity and Long Cycle Life for Lithium-ion Batteries. Energy Environ. Mater. 2020.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12136
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