【摘要】 在半电池中研究了 NS-CNRs-700 存储 Li+ 和 Na+ 的电化学性能。

NS共掺杂碳纳米棒（NS-CNR）以蟹壳为模板，聚苯硫醚（PPS）作为C和S前体，然后在NH3中碳化制备。所获得的 NS-CNR 直径约为 50 nm，长度为几微米，N 和 S 含量分别为 12.5 at.% 和 3.7 at.%，可用作锂离子电池负极（ LIB）和钠离子电池（SIB）。当用作LIB阳极时，NS-CNR在0.1 A g−1的电流密度下提供2154 mAh g−1的重量容量，在5.0 A g−1的电流密度下提供625 mAh g−1的重量容量，循环1000次。当用作SIB阳极时，NS-CNR在0.1 A g−1的电流密度下提供303 mAh g−1的重量容量，在1.0 A g−1的电流密度下提供230 mAh g−1的重量容量，循环3000次。 NS-CNRs优异的电化学性能可归因于其一维纳米结构和高水平的杂原子掺杂。我们预计所获得的 NS-CNR 将有利于锂离子电池掺杂碳材料以及超级电容器、催化剂和储氢等其他扩展应用的未来发展。

 

Fig. 1. (a) Cross sectional SEM images of crab shell template. (b) SEM and (c) TEM images of the NS-CNRs-700. (d) Dark field image and corresponding EDX mapping of C,S, and N elements acquired at the same position, showing a uniform distribution of the N and S. (e) Raman spectrum and (f) XPS survey spectrum of the NS-CNRs-700.[1]

 

蟹模板由具有平行通道的 CaCO3 组成，如扫描电子显微镜 (SEM) 图像所示（图 1(a) 和 S1）。 NS-CNR 的直径约为 50 nm，长度为几微米（图 1（b）、（c）和 S2），并且与碳化温度无关。 C、S和N元素的能量色散X射线（EDX）图与透射电子显微镜（TEM）获得的形貌（图1（d））非常匹配，表明NS中化学成分的均匀分布-CNR。拉曼光谱显示出较宽的2D谱带（2500−3200 cm−1），G谱带与D谱带的强度比（IG/ID）为1.06（图1（e）和S3（a））。 XRD 图谱显示衍射峰位于 23° 左右。这些结果表明中等石墨化水平。通过X射线光电子能谱（XPS，图1（f））测量N和S掺杂剂的量，分别为12.5和3.7 at.%。 O 1s 的存在可归因于CO2 和碳之间的反应，该反应在碳中留下含氧官能团。 CaCO3在碳化温度下分解形成CO2，CO2是广泛使用的在碳中形成微孔结构的试剂。 N2吸附-解吸等温线呈现IV型磁滞回线，在低相对压力（P/P0 < 0.1）下急剧上升，表明微孢子和介孔结构的存在。NS-CNRs-700 的计算 SBET 为 686 m2 g−1，平均孔隙宽度为 5.7 Å。

 

Fig. 2. (a) Galvanostatic charge–discharge profiles and (b) rate capability of NS-CNRs-700; (c) long-term cycling performance of NS-CNRs-700 anode measured at 5 A g−1

for 1000 cycles. (d) Galvanostatic charge–discharge profiles and (e) rate capability of NS-CNRs-700; (f) long-term cycling performance of NS-CNRs-700 anode measured at

1 A g−1 for 3000 cycles[1]

 

在半电池中研究了 NS-CNRs-700 存储 Li+ 和 Na+ 的电化学性能。图2(a)和(b)分别显示了用于Li+存储的NS-CNRs-700的恒电流充放电曲线和倍率能力。 NS-CNRs700 在电流密度为 0.1 至 0.2、0.4、0.8、1.6、3.2 和 5.0 A g−1 时表现出 2071、1485、1304、1066、828、616 和 412 mAh g−1 的重量容量，分别比大多数 NS 共掺杂碳基阳极材料高得多（。此外，NS-CNRs-700在1000次循环后显示出625 mAh g−1的可逆容量，库仑效率为99.8%（图2（c）），表明具有稳定的循环稳定性和可逆性。根据以往的报道，多孔碳基于负极材料通过形成电化学双层来储存Li+，因此，还测试了NSCNRs-700的Na+储存性能，恒电流充放电曲线和倍率性能如图2(d)和(e)所示。在电流密度为0.1、0.2、0.5、1、2和5 A g−1时，分别获得了350、306、286、260、233和204 mAh g−1的可逆容量。其倍率性能明显高于之前报道的NS共掺杂碳材料。NS-CNRs-700 的循环性能通过电流密度为 1.0 A g−1 的恒电流充放电进行评估。在最初的 10 个循环中缓慢衰减后，NS-CNRs-700 在 3000 个循环中可以保持 230 mAh g−1 的可逆容量，库仑效率约为 99.9%（图 2（f））。

 

[1]Ajuan Hu, Song Jin, Zhenzhen Du, Hongchang Jin, Hengxing Ji, NS codoped carbon nanorods as anode materials for high-performance lithium and sodium ion batteries, Journal of Energy Chemistry, Volume 27, Issue 1, 2018, Pages 203-208,

 

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