Adv.Energy Mater. 南洋理工大学将Sn纳米颗粒封在非晶碳纳米管中制备高性能锂电池负极材料


【成果简介】

金属锡(Sn)具有很高的理论比容量(993 mAhg−1)和合适的低放电电压,是最有前景的锂电池负极材料之一。然而,在实际应用中,伴随着Li+的嵌入和脱出,材料体积变化较大,Sn颗粒易破碎,导致电池循环容量衰减较快。将Sn颗粒减小到纳米尺寸,可以解决内部应变问题和延缓颗粒的破碎。除此之外,纳米结构可以显著减小Li+的扩散长度,进而提高倍率性能。然而,由于Sn纳米颗粒的团聚和不稳定的SEI膜,在很多情况下,循环性能仍不理想。

最近,南洋理工大学楼雄文教授(通讯作者)等人采用简单的模板法,使用MnOX纳米线作为可去除的模板,将Sn纳米颗粒封装于非晶碳纳米管中(表示为Sn@aCNT,下同)。用作锂离子电池负极材料时,Sn@aCNT复合材料均匀分布且具有坚固的aCNT网络结构,表现出长久的循环稳定性和高倍率性能。当电流密度为0.2 A g−1时,100次循环后其比容量依然高达749 mA h g−1。最重要的是,Sn@aCNT电极具有优异的高倍率性能,在1.0 A g−1电流密度下,达到500次循环时,比容量为573 mA h g−1。就比容量、循环性能和倍率性能而言,Sn@aCNT的电化学性能是Sn基电极材料中最好的。

【图文导读】

1Sn@aCNT复合材料的形成示意图

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MnOx纳米线被SnO2层和PDA(聚多巴胺)涂层不断地包裹。超细SnO2纳米颗粒均匀地分布在PDA覆盖层下。选择性去除MnOx纳米线后,然后在还原性气氛中进行热处理,PDA涂层转变为非晶碳纳米管(aCNT),SnO2纳米颗粒被还原为相对均匀的Sn纳米颗粒(≈70 nm),最终形成Sn@aCNT混合结构。

2 Sn@aCNT复合材料的测试与表征

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a :XRD图谱。所有的衍射峰都能归属于四方相Sn(JCPDS卡片No. 04-0673)。

b,c :FESEM图像。碳纳米管的长度为1.8–3.8 μm,平均直径约为100nm,且具有光滑的表面。

d : TEM图像。Sn纳米颗粒被很好地封装于碳纳米管中,类似于豆荚状结构。

e : SAED图像。Sn@aCNT具有多晶结构。

f : TEM图像。Sn纳米颗粒的平均粒径约为70nm,管壁厚度约为20nm左右。

g : HRTEM图像。面间距0.29nm与四方相Sn(200)晶面的层间距一致。

h : STEM图像。 i:EDX图谱。

j,k,l:Sn@aCNT中C、O、Sn的元素映射图像。

沿着碳纳米管,Sn纳米颗粒分布在整个纳米管中,清晰地展示了相邻的Sn纳米颗粒之间的空隙。

3 Sn@aCNT电极的电化学性能

a. Sn@aCNT电极第一、二次循环的恒流充放电曲线,电流密度为2 Ag−1

b. 电流密度为2 A g−1时,Sn@aCNT电极的循环性能。第二次循环Sn@aCNT电极的放电比容量为1062 mA h g−1,100次循环后,放电比容量为749 mAh g−1,容量保存率71%。初始库伦效率63.2%,随后逐渐增加,稳定接近100%。

c. Sn@aCNT电极的倍率性能。电流密度为2,0.5,1,2和5 A g−1时,平均比容量分别为962,831,746,602和377 mAhg−1。电流密度为1 Ag−1时,500次循环后,比容量为573 mA hg−1

4 100循环次后Sn@aCNT电极的测试与表征

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a : TEM图像。 b: SAED图像。 c: 高倍率TEM图像。

d: HRTEM图像。 e: STEM图像。 f: EDX图谱。

g,h,i:100循环次后Sn@aCNT电极中C,O,Sn的元素映射图像。

100次循环后,非晶纳米Sn仍很好地包裹在碳纳米管中。

【小结】

研究者采用简单的模板法,将Sn纳米颗粒封装于非晶碳纳米管中,独特的Sn@aCNT混合结构可以显著提高材料的循环稳定性和倍率性能。该材料是最有潜力的锂离子电池负极材料之一。该方法为科研者们提供了一个新的想法:或许可以将其它锂离子电池负极材料封装于非晶碳纳米管中,以此获得高容量、高性能的电极材料。

文献链接:Encapsulating Sn Nanoparticles in Amorphous Carbon Nanotubes for Enhanced Lithium Storage Properties(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601177)

该文献导读由材料人编辑部学术组履冰供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。

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