高首次庫倫效率和循環穩定性的鈉離子電池研究
日期：2019-09-29
鈉離子電池具備安全性高，成本低的優勢有望在智能電網的大規模儲能上得到應用。SnS2作為鈉離子電池的負極材料具有較高的理論比容量，然而庫倫效率較低，嚴重阻礙了它的實際應用。近日，PicoFemto?原位電學樣品桿（STM-TEM Holder）助力華南理工大學環境與能源學院、美國佐治亞理工學院劉美林教授與華南理工大學楊成浩教授（通訊作者）在Sn基負極材料的鈉離子電池的研究上再創突破，相關研究成果以《Fabrication of SnS2/Mn2SnS4/Carbon Heterostructures for Sodium-Ion Batteries with High Initial Coulombic Efficiency and Cycling Stability》為題發表在國際期刊《ACS NANO》上(DOI: 10.1021/acsnano.9b00375)。
研究人員利用簡單易行的濕化學方法制備了一種SnS2/Mn2SnS4/Carbon (SMS/C NBs) 異質結構，并用于制作鈉離子電池的負極材料。測試發現，SMS/C NBs 具有 841.2 mAh /g的初始容量，庫倫效率高達90.8%。同時，它還表現出優異的倍率性能（在0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 和10.0 A /g 的電流密度下，容量分別可達到752.3, 604.7, 570.1, 546.9, 519.7 和 488.7 mAh /g )。此外，它的循環穩定性也較好（在5.0 A/ g電流密度下，循環500 圈，其容量仍有522.5 mAh /g）。
利用PicoFemto?STM-TEM Holder, 研究人員分別將SMS/C 和Na@Na2O固定在Au和W針尖上用作電極搭建了微型電池，研究了sodiation/desodiation 過程中電極材料的微觀變化來探究材料優異電化學性能的機理。他們發現在通電2min左右負極材料SMS/C的體積膨脹率相對來說較小，表明Mn的引入能夠明顯阻止納米尺度Sn的粗化。并且，在脫鈉過程后負極材料體積基本恢復到了原來的尺寸。PicoFemto?原位樣品桿為直觀、實時的研究這一可逆過程提供了強大支撐。此外，結合DFT理論計算和原位XRD表征手段，研究人員發現SnS2/Mn2SnS4 異質結是SMS/C NBs負極材料良好電化學性能的關鍵所在。SnS2/Mn2SnS4 異質界面能夠穩固反應中間產物，防止納米尺度的Sn0顆粒的粗化，保證了合金化的可逆轉變，從而導致較高的庫倫效率和循環穩定性。此外，異質結構的SMS 和碳網的共同作用能夠為電子和鈉離子的遷移提供有效通道，從而提高倍率性能。
原文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.9b00375
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作者：小攸