Adv. Mater. 北大&中科院联合研发新型高容量钠离子电池负极材料：SnSSe

【引言】

钠离子电池（SIB）由于原料来源丰富、价格低廉、环境友好等特点，近来重新被广泛研究，且性能得到不断提升。过去五年里，人们研究了几种经典的SIB负极材料，包括有SnS₂–RGO、FeSe₂、醚基电解液中的石墨、钛基材料、黑磷-石墨烯复合材料等。金属硫族化合物比碳材料和传统插层化合物具有更高的理论比容量，引起人们广泛关注。尽管在SIB负极材料方面投入很大精力，寻找高容量、长寿命并适用于商业化生产的材料仍然是一个巨大挑战。

【成果简介】

近日，北京大学陈继涛教授和中科院物理所薛面起研究员等通过简单的固相反应合成了一种用于高性能的SIB负极的新型层状材料SnSSe。SnSSe具有较大的层间距、（001）晶面优先生长、易剥落和部分赝电容行为等特性。研究人员采用简单的球磨混合和刮刀涂布技术制备电极，使其表现出优越的电化学性能。2500 mA/g下在0.1-3.0 V内循环的第900次放电比容量达401 mAh/g；在电流密度5000 mA/g下，循环1000次放电比容量达330 mAh/g且容量无明显衰减。并且研究人员发现SnSSe颗粒在脱嵌钠过程中，能自发纳米晶化成紧密堆积纳米片，这将改善循环过程中结构损伤，有利于提高循环稳定性。

图文导读：

图1 ：SnSSe样品的晶体结构和形貌

(a) SnSSe样品的XRD图谱，所有的峰都对应了标准卡片。

(b) SnSSe样品的HRSEM图，表现出典型的层状结构。

(c-d) SnSSe样品的TEM和HRTEM图。如箭头所示，SnSSe薄层的界面分布说明通过超声分散后层状结构发生剥落。拟合的晶面间距0.326和0.289 nm分别对应(010)和(011)晶面。

(b)、(c)和(d)图的比例尺分别为200、20和5 nm。

图2： SnSSe电极的电化学性能

(a) SnSSe电极在500 mA/g下，0.5-3.0 V电压范围内以及随后在2500 mA/g下，0.1-3.0 V电压范围内的恒流充放电曲线。在0.1 V截止电压且电流密度更高时曲线也几乎重叠，这显示了SnSSe电极优越的循环性能。

(b) 在设定时间内，充电状态的SnSSe电极在不同循环周期的电压降。可以看出：瞬时电压降几乎是相同的，而随后的电压降则有一个小变化。

(c) 在0.1-3.0 V的电压范围内，扫描速率分别为0.1、0.2、0.5、0.75、和1.0 mV/s时SnSSe电极的CV图，可以看出：所有的曲线都保持着速率为0.1 mV /s时的初始形状，表现出优越的倍率性能。

(d) 图c中a-e峰中log（i，峰电流）和log（ v，扫描速率）的线性关系。a-e峰的拟合斜率分别为0.666，0.782，1.078，0.685，和0.987。

图3： SnSSe电极的循环性能和倍率性能

(a) 在电位范围0.5/0.1-3.0 V内SnSSe电极的长循环性能。在500 mA/g下0.5-3.0 V内，前600次循环测试之后截止电压改为0.1 V并提高电流密度为1000和2500 mA/g。在整个900次循环中，在0.1-3.0 V中2500 mA/g下表现出高达的401 mAh/g的放电比容量。

(b) 在5000 mA/g下0.1-3.0 V内SnSSe电极的长循环性能。1000次循环后，SnSSe电极的放电比容量几乎没有衰减，仍高达330 mAh/g。

(c) 在1000、2500、5000、7500和10000 mA/g下0.1-3.0 V内SnSSe电极的倍率性能。在7500和10000 mA/g下放电比容量分别为226和161 mAh/g，当电流密度变回来时放电比容量也能恢复。

图4： SnSSe电极的长循环性能与其他报道的SIB负极比较（仅列举循环次数超过500次且比容量大于200 mAh/g的负极材料）

SnSSe电极的电化学性能优胜于先前报道的SIB负极，据作者所知，在所有非复合负极材料中该电极具有最高的放电比容量。

图5 ：SnSSe电极在电池测试前和脱钠后（充电状态）的SEM和HRSEM图

(a) SnSSe电极在电池测试前的SEM图。

(b) 图(a)的局部放大图。压片后表面平整的SnSSe颗粒均匀嵌在整个电极中。

(c) 脱钠后充电状态下的SnSSe电极的SEM图。

(d) 图（c）的局部放大图。整块结构转变为许许多多紧密堆积的SnSSe纳米片，这更有利于提高循环稳定性。

(a)、(b)、(c)和(d)图的比例尺分别为2、0.5、1和0.2 μm。

展望：

SnSSe电极原料来源丰富，制备过程简单，未来通过与碳或聚合物复合将可能具有更优越的电化学性能，将是极具竞争力的SIB负极材料。而且，在反复脱嵌钠过程中Sn的超导性会不断改变，因此SnSSe材料也可能应用于超导器件上。

原文链接：Novel Metal Chalcogenide SnSSe as a High-Capacity Anode for Sodium-Ion Batteries  （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603219）

本文由材料人编辑部新能源学术组 蒜头 供稿，背逆时光审核，点这里加入我们。欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。