【摘要】 钠由于其资源丰富和锂相似的电化学性质，使得钠离子电池（SIBs）有希望替代锂离子电池（LIBs）成为下一代主要的储能设备。

出处：Adv. Funct. Mater. 2021, 2101066

 

背景

 

钠由于其资源丰富和锂相似的电化学性质，使得钠离子电池（SIBs）有希望替代锂离子电池（LIBs）成为下一代主要的储能设备。然而较大的Na离子半径限制了硬碳材料在SIBs电极中的应用。

 

探索理想的阳极材料，如硬或软碳、合金、氧化物等。应该考虑到相当复杂的因素来增加容量、提高传导率和减轻显著的体积变化。

 

研究思路与方案

Wen课题组提出了制备中空立方氮掺杂碳（hC-NC）支撑的MoSSe纳米片（MoSSeNS）与NC膜修饰的纳米杂化物，即MoSSeNs@NC/hC-NC。

 

得益于大的层间距（0.96 nm）、改进的电子传导性和中空结构，MoSSeNSs@NC/hC-NC显示出高容量、快速速率能力和长寿命。

 

结果与讨论

结构表征：

二硫化钼纳米片（MoS2NSs）通过水热法均匀生长在hC-NC表面，导致形成MoS2NSs@NC/hC，最终通过进一步的PDA包覆和硒化处理转化为MoSSeNSs@NC/hC-NC（图1b，c）。

 

TEM观察发现，MoSSeNSs@NC/hC-NC继承了hC-NC的中空骨架，MoSSe纳米片在碳纳米盒表面分散良好，无明显聚集（图1d，e）。

 

正如HRTEM图像（图1f）清楚显示的那样，MoSSe纳米片呈现出几层结构，扩大的夹层间距约为0.96 nm，这一发现证明了掺杂硒原子在影响层间距中起着关键作用。

 

此外，在相应的选定区域电子衍射（SAED）图像（图1f的插图）中观察到的衍射环可归因为（100）、（103）和（110）晶面，值得注意的是，（002）面的消失衍射环也表明了很少的层状结构。

 

此外，相应的元素分布图（图1g）表示Mo、S、Se、C和N元素的均匀分布，这表明成功形成了Se掺MoS2。XRD图中的主要衍射（图1h）可以很好地与2H-MoS2，且Se掺杂以后衍射峰向低角度偏移，说明晶格间距明显扩大。

 

图1 MoSSeNs@NC/hC-NC的制备与表征：（a）制备示意图，（b，c）SEM，（d，e）TEM，（f）HRTEM以及（g）STEM对应的EDS mapping，（h）XRD。

 

电化学测试：

从图2a可以看出，MoSSeNs@NC/hC-NC展现出706和477 mAh g-1的初始放电和充电容量，库仑效率为65%。

 

当MoSSeNs@NC/hC-NC以0.1 A·g-1电流循环时，200次循环后仍保持453 mAh g-1的高可逆容量，容量保持率为91.0%，而MoSSe@C和MoS2@C电极的容量保持率分别仅为64.4%和60.5%（图2b）。

 

MoSSeNs@NC/hC-NC也显示出出色的倍率性能（图2c）。即使在10 A·g-1时，也能获得相当高的289 mAh g-1的放电容量，在调回到0.1 A·g-1和1 A·g-1后，放电容量可分别恢复到490和407 mAh g-1，超过了目前大多数一报道的文献，如图2e所示。

 

此外，该电极材料能够表现出很好的赝电容行为，如图2f所示，在1.0 mV s-1扫速下的赝电容占比可达88%，并且随着扫速的增加，赝电容占比也逐渐增加，如图2g所示。

 

最后，作者对其在10 A g-1的电流密度下的长循环稳定性进行探索，如图2h所示。在1000次循环以后，相比于MoSSe@C和MoS2@C电极而言，MoSSeNs@NC/hC-NC的容量并没有明显的衰减，可达253 mAh g-1。

 

图2（a）在0.1 A g-1下的恒流充放电曲线，（b）循环测试，（c）倍率性能，（d）不同倍率下的恒流充放电曲线，（e）性能对比，（f）在1.0 mV s-1扫速下的赝电容占比，（g）不同扫速下的赝电容占比，（h）大电流密度下的长循环性能。

 

最后组装了全电池（MoSSeNSs@NC/hC-NC//EG SDIBs）进行测试，以MoSSeNs@NC/hC-NC为阳极，膨胀石墨（EG）为阴极。工作原理如图3a-b所示。

 

如半电池和全电池的充放电曲线和CV曲线所示（图3b），Na//EG和Na// MoSSeNSs@NC/hC-NC电池可以分别在高电压（3.0-5.0 V）和低电压（0.01-3.0 V）下工作，从而导致全MoSSeNSs@NC/hC-NC//EG SDIBs的高工作电压。

 

SDIB全电池在0.1 A g-1下表现出204 mAh g-1的可逆容量，在300次循环中容量保持率为99%；而对于基于MoS2@C的SDIBs全电池，容量会随着循环而迅速衰减（图3c）。

 

同时，全电池表现出出色的速率性能（图3d），在5 A g-1时可以保持150 mAh g-1的容量。

 

MoSSeNSs@NC/hC-NC显示出相对较低的极化电位，即使在5 A g-1的高速率下也是如此，如图3e，同时也能够显示了超长的使用寿命，在2000次循环后，在1 A g-1下保持185 mAh g-1的比容量（图3f）。

 

图3 MoSSeNSs@NC/hC-NC//EG SDIBs的电化学性能：（a）充放电机理图，（b）半电池和全电池的恒流充放电曲线，（c）循环性能，（d）倍率性能，（e）不同电流密度下的充放电曲线，（f）长循环测试。

 

本文所有内容文字、图片和音视频资料，版权均属科学指南针网站所有，任何媒体、网站或个人未经本网协议授权不得以链接、转贴、截图等任何方式转载。