南开大学陈军教授Nano Lett. ：具有高容量和快速钠离子存储性能的硫化锑-石墨烯化合物

【引言】

由于钠元素在地球的高含量，钠电池的低成本已经引起人们广泛的关注。作为钠电池的负极材料金属硫化物因其具备高容量和高度可逆的氧化还原反应近年来得到极大的发展。其中硫化锑因为硫和锑均可储钠，因而被人们广泛的运用到钠离子电池领域。

【成果简介】

 目前而言，在钠电池应用中寻找一种高循环稳定性和高倍率性能的电极材料具有十分重要的作用。近日，来自南开大学陈军教授和康奈尔大学Lynden A. Archer（共同通讯）在Nano Lett.上发文，题名“High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture”。文中通过一种简单的水热方法在石墨烯泡沫上制备Sb₂S₅纳米颗粒，并将其作为高性能的钠电极材料。该材料展现出优异的性能，高容量性能 (电流密度 0.1 A g⁻¹时，容量为845 mA h g⁻¹), 高循环稳定性 (在电流密度0.2 A g⁻¹下循环300圈，容量保持91.6%), 和良好的倍率性能 (电流密度10.0 A g⁻¹，容量525 mA h g⁻¹)。该种新型电极材料为以后制备一种安全，高能量密度电池提供了新的思路。

【图文导读】

 图1 Sb₂S₅-GO光学照片和表征图像

图a. 水热前后的Sb₂S₅-GO分散液以及对应部分的3D多孔Sb₂S₅-GF-8复合物光学照片。

图b. 不同尺寸Sb₂S₅-GF-8化合物的光学照片。

图c–d. 不同放大倍率的SEM图像。

图e. 不同放大倍率的TEM图像。

图f. Sb₂S₅-GF-8的EDS图像。

图g-i. Sb₂S₅-GF-8化合物(其中Sb₂S₅含量为83%) C, Sb, S元素分布图。

图2 Sb₂S₅-GF-8和GO表面表征

图a. Sb₂S₅-GF-8和GO的拉曼图。

图b. Sb₂S₅-GF-8和GO的C 1s XPS图谱。

图c. Sb₂S₅-GF-8化合物的Sb 3d XPS图谱。

图d. Sb₂S₅-GF-8的氮气吸附脱附图，小图为孔径分布图。

图3 Sb₂S₅-GF-8电极材料的储钠机理

图a. 电流密度为 0.1 A g^-1充放电图。

图b. 扫速为0.1 mV s^-1的CV图。

图c. 电流密度为0.1 A g^-1时，第二次充放电的原位拉曼图谱。

图4 不同条件下，不同电极材料的电化学性能表征

图a. 倍率性能。

图b. Sb₂S₅-GF-8与其它硫化物相比的能量密度图。

图c. 电流密度为0.2 A g^-1时的循环图。

图d. 阻抗图。

图e. Sb₂S₅ NPs, Sb₂S₅-GF-9(Sb₂S₅含量90%), Sb₂S₅-GF-8和Sb₂S₅-GF-7(Sb₂S₅含量71%)电极在低频区的线形拟合图。

图6. Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂/C–Sb₂S₅-GF-8全电池电化学性能

图a. Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂半电池在2.5–4.5 V和Sb₂S₅-GF-8半电池在0.1–2.5 V窗口的CV图，扫速为 0.1 mV s^–1。

图b. 电流密度为0.1 A g^–1,电压窗口为0.6-3.8V的充放电曲线。

图c. 在电流密度为0.1 A g^–1时的循环和库伦效率图。

图d. 全电池点亮LED灯光学图。

【小结】

这项工作介绍了一种新型钠电池负极材料，即Sb₂S₅-GF复合物，其中Sb₂S₅纳米颗粒的直径为5 nm，且均匀分散在石墨烯泡沫表面。Na₃(VO_0.5)₂(PO₄)₂F₂/C–Sb₂S₅-GF-8全电池的输出电压大致在2.2 V左右，并展示了该全电池稳定的循环性能，电流密度0.1 A g⁻¹时循环100圈，性能稳定在 828 mA h g⁻¹)。该种电极材料在未来钠电池领域具有十分重要的应用价值。

文献链接：High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture（Nano Lett. 2017. DOI:  10.1021/acs.nanolett.7b00889）

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