鈉離子電池應(yīng)用:規(guī)模化合成均一Fe1-xS納米材料
發(fā)布時(shí)間:2017-08-09 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】眾所周知,納米結(jié)構(gòu)對(duì)于提高納米材料的電化學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。然而,由于實(shí)驗(yàn)過程繁雜,規(guī)?;铣删哂刑厥饧{米結(jié)構(gòu)的納米材料,一直以來嚴(yán)重制約著納米材料的實(shí)用化。
引言
為彌補(bǔ)鋰離子電池在儲(chǔ)能方向應(yīng)用的局限性,鈉離子電池以其鈉資源豐富、分布廣泛和成本低廉等特點(diǎn)受到了人們的普遍關(guān)注,并有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域得到應(yīng)用。開發(fā)高性能負(fù)極材料對(duì)實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化至關(guān)重要。在備受關(guān)注的鈉離子電池負(fù)極材料中,硫化鐵具有理論容量高、高度可逆的氧化還原特性、自然資源豐富以及環(huán)境友好等特點(diǎn),是極具潛力的新型負(fù)極材料之一。眾所周知,納米結(jié)構(gòu)對(duì)于提高納米材料的電化學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。然而,由于實(shí)驗(yàn)過程繁雜,規(guī)模化合成具有特殊納米結(jié)構(gòu)的納米材料,一直以來嚴(yán)重制約著納米材料的實(shí)用化。
成果簡介
近日,南京航空航天大學(xué)彭生杰教授課題組通過一步硫化的方法設(shè)計(jì)制備出適合規(guī)?;a(chǎn)的形貌均一的Fe1-xS納米材料。作為鈉離子電池負(fù)極材料,該材料展現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(經(jīng)過2000周循環(huán),在10 A g-1的電流密度下,可逆容量保持率仍舊可以達(dá)到大約100%)。動(dòng)力學(xué)分析表明,贗電容的決定性作用,是該材料具有良好倍率性能的關(guān)鍵。同時(shí),通過原位XRD表征,研究了Fe1-xS納米材料的儲(chǔ)鈉機(jī)理。此外,利用Na0.6Co0.1Mn0.9O2與Fe1-xS匹配構(gòu)成鈉離子電池全電池,表現(xiàn)出較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性(在電流密度20 mA g-1時(shí),經(jīng)過100周循環(huán),容量保持在約380 mAh g-1)。該項(xiàng)工作以“Large-scale synthesis of highly uniform Fe1-xS nanostructures as a high-rate anode for sodium ion batteries”為題在線發(fā)表在期刊Nano Energy上(2017, 37, 81-89)。
圖文導(dǎo)讀
圖1. Fe1-xS納米材料的物理表征
(a,b)Fe1-xS納米材料在不同放大倍率下的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(c,d)Fe1-xS納米材料的投射電子顯微鏡(TEM)圖像,插圖:電子衍射圖像;(e-g)Fe1-xS納米材料各元素的EDX面掃描圖。
圖2. Fe1-xS納米材料的電化學(xué)性能
Fe1-xS納米材料的(a)CV圖;(b)充放電曲線圖;(c)循環(huán)穩(wěn)定曲線;(d)交流阻抗圖;(e)不同充放電倍率下循環(huán)穩(wěn)定性曲線。
圖3. Fe1-xS納米材料的動(dòng)力學(xué)性能
Fe1-xS納米材料的(a)倍率性能曲線;(b)相應(yīng)倍率下充放電曲線;(c)不同掃速下的CV曲線;(d)相應(yīng)氧化還原峰下的log i vs. log v曲線;(e)不同掃速下的贗電容貢獻(xiàn);(f)掃速為0.5 mV s-1時(shí),CV曲線及相應(yīng)贗電容所占比例。
圖4. Fe1-xS納米材料的儲(chǔ)鈉機(jī)理研究
(a)第一周充放電原位XRD圖;(b)第三周充放電原位XRD圖;(c)一定充放電電位下XRD圖。
圖5. Fe1-xS納米材料的鈉離子全電池性能
(a)Na0.6Co0.1Mn0.9O2正極和Fe1-xS負(fù)極充放電曲線對(duì)比;Na0.6Co0.1Mn0.9O2/Fe1-xS全電池在電流密度20 mA g-1時(shí)的電化學(xué)性能(b,c)充放電曲線;(d)循環(huán)穩(wěn)定性曲線。
小結(jié)
該研究通過簡單一步硫化的方法成功制備了均一Fe1-xS納米結(jié)構(gòu)。作為鈉離子電池電極材料,表現(xiàn)出良好的倍率性能和超長的循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是,其優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能也在鈉離子全電池中得以充分展現(xiàn),進(jìn)一步表明了其潛在的商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。
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