Energy Environ. Sci.:通过醚类固态电解质提高碳阳极的钠存储性能


【引言】

高比表面积碳(High specific surface area carbon ,HSSAC)是一类有希望应用于钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)的高容量阳极材料。然而,HSSAC阳极在使用酯基电解质的电池中首次库仑效率( initial coulombic efficiency ,ICE)较低。这种较低的初始库伦效率进一步阻碍了HSSAC阳极倍率性能、长期稳定性和比容量的提高。清华大学深圳研究院的杨全红教授课题组将电解质换为了醚基( ether-based )电解质,这种简易有效的方法解决了HSSAC的上述问题。

【成果简介】

杨全红教授(通讯作者)课题组的研究成果发表在了Energy & Environmental Science上,题目为:Achieving Superb Sodium Storage Performance on Carbon Anodes Through an Ether-Derived Solid Electrolyte Interphase。该课题组以还原氧化石墨烯(RGO)阳极为例,研究了HSSAC阳极在醚基( ether-based )电解质中的电学性能。他们采用纯钠箔片作为对电极,将三氟甲磺酸钠(NaOTf)溶解在二甘醇二甲醚中作为电解质。(同时将NaOTf溶解在碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物中作为对照组。)

实验结果表明,在醚基电解质中的rGO电极可以提供更好的电化学性能,其首次库仑效率为74.6%,在0.1A g-1下100次循环后的可逆比容量为509mAh g-1,同时其具有良好的倍率性能(在5A g-1下为196mAh g-1),和长期稳定性(1000次循环后的容量保持率为75.2%),优于大多数的碳阳极。

作者将这种良好的性能归因于在醚基电解质中形成的结构稳定,均匀致密和可离子传导的固体电解质中间相(solid electrolyte interphase ,SEI)。由与醚电解质改善了SEI的独特性质,钠离子可在其中组合扩散并存储在rGO中,这是钠存储性能提高的关键,并且显着不同于酯基溶剂中形成的SEI。这种SEI的修饰和改善并不依赖于HSSAC阳极的特定微结构。

注:二甘醇二甲醚:Diglyme,CH3OCH2CH2-O-CH2CH2OCH3;三氟甲磺酸钠:NaOTf,NaCF3SO3;碳酸亚乙酯:Ethylene carbonate(EC),C3H4O3;碳酸二乙酯:Diethyl carbonate(DEC),C5H10O3。

【图文导读】

图1:不同电解质中rGO电极的电化学性能

(不同的电解质:①NaOTf(NaCF3SO3的缩写)溶解在二甘醇二甲醚中;②NaOTf溶解在EC / DEC中,EC:碳酸亚乙酯,DEC:碳酸二乙酯。)

(a)0.1 A g-1电流密度下,恒电流充放电曲线的前两个循环;

(b)0.1 A g-1电流密度下,经过100个循环后的比容量和库伦效率;

(c)0.05 A g-1至5 A g-1的电流密度下的速率性能;

(d)1 A g-1电流密度下,两种电解质的循环性能;

(e)在0.2 mV s-1的扫描速率下,前两个循环的CV曲线;

(f)第一个循环后的电化学阻抗谱(EIS)。

图2:rGO电极在不同电解质中的电化学机理的分析比较

(a)NaOTf溶解在二甘醇二甲醚中作为电解质,2 mV s-1至2 mV s-1的各种扫描速率下的CV曲线;

(b)NaOTf溶解在EC / DEC中作为电解质,2 mV s-1至2 mV s-1的各种扫描速率下的CV曲线;

(c) NaOTf溶解在二甘醇二甲醚中作为电解质,各选择区域的b值;

(d) NaOTf溶解在EC / DEC中作为电解质,各选择区域的b值。

(双电层电容和赝电容的电荷存储可以根据i=av ^b进行分析,其中测量的电流i遵守与扫描速率v的幂律关系。a和b都是可调节的参数,并且根据log(i) 对log(v) 图的斜率确定b指数值。)

图3:在不同溶剂中循环后的rGO电极的形态比较


(a)初始rGO电极,(b)在二甘醇二甲醚中循环后的rGO电极和(c)在EC / DEC中循环后的rGO电极的SEM图像;

(d)初始rGO电极,(e)在二甘醇二甲醚中循环后的rGO电极和(f)在EC / DEC中循环后的rGO电极的低分辨率TEM图像;

(g)初始rGO电极,(h)在二甘醇二甲醚中循环后的rGO电极和(i)在EC / DEC中循环后的rGO电极的高分辨率TEM图像。

图4:不同溶剂中rGO电极形成的SEI组分分析

(a)F 1s的高分辨率XPS光谱;

(b)初始,醚,酯,醚-60s和酯-60s电极的S 2p3/2高分辨率XPS光谱。

图5:不同电解质中SEI的不同组分及其与钠存储的相关性

【总结】

实验表明,在二甘醇二甲醚电解质中的rGO阳极具有良好的钠储存性能,这是由于rGO在醚基电解质中形成的结构稳定,均匀致密和可离子传导SEI层。这表明,可以通过利用醚电解质来改变HSSAC阳极上的SEI结构,以实现HSSAC阳极的的高ICE,这在实际应用中具有广阔前景。

这种SEI的修饰和改善并不依赖于HSSAC阳极的特定微结构,因此这种改善方法不仅适用于钠离子电池,还包括其他金属离子电池,并且将进一步促进醚基电解质在非碳阳极中的实际应用。

文献链接:Achieving Superb Sodium Storage Performance on Carbon Anodes Through an Ether-Derived Solid Electrolyte Interphase(Energy & Environmental Science, 2017., DOI: 10.1039/C6EE03367A)

该文献汇总由材料人编辑部纳米材料组mengya供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。

欧洲足球赛事 网专注于跟踪材料领域滚球体育 及行业进展,这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者,如果您对于跟踪材料领域滚球体育 进展,解读高水平文章或是评述行业有兴趣,点我加入材料人编辑部

材料人网尊重所有进行知识传播的媒体,转载请联系tougao@cailiaoren.com

材料测试,数据分析,上测试谷

分享到