澳大利亚昆士兰大学：纳米胶囊提升钠离子电池性能

研究背景

 

钠具有与锂相似的物理化学性质，且钠资源丰富，价格低廉，因此钠离子电池技术受到广泛关注。研发高性能、稳定的储钠材料是钠离子电池得以实际应用的关键。

Stabilising Cobalt Sulphide Nanocapsules with Nitrogen-Doped Carbon for High-Performance Sodium-Ion StorageYilan Wu, Rohit R.Gaddam, Chao Zhang, Hao Lu, Chao Wang, Dmitri Golberg, Xiu Song Zhao*Nano-Micro Lett.(2020)12:48https://doi.org/10.1007/s40820-020-0391-9

本文亮点

 1 硫化钴纳米颗粒通过一种简单且可扩展的方法封装在富氮碳笼中。2 通过原位TEM和XRD技术系统地研究了钠离子储存机理。3 钠离子电容器分别在200和10000 W/kg的功率密度下实现了101.4和45.8 Wh/kg的高能量密度，具有光明的应用前景。

内容简介

澳大利亚昆士兰大学化学工程学院George Zhao教授课题组采用氮掺杂碳稳定的硫化钴纳米胶囊（Co₉S₈@NC）用于钠离子电池。该电极材料在100 mA/g时具有705 mAh/g的可逆钠离子存储容量，具有很好的倍率能力和良好的循环稳定性。采用原位透射电镜技术的机理进行研究，研究结果表明，碳笼子支撑能够较好的缓解Co₉S₈纳米粒子的体积膨胀，实现稳定的电极-电解质界面。另外，具有高含量掺杂氮的碳壳显著增强了Co₉S₈@NC电极材料的电子传导性，并提供了掺杂诱导的活性位点来容纳钠离子。通过将Co₉S₈@NC作为负极与纤维素衍生的多孔硬碳/氧化石墨烯复合材料作为正极，NaPF₆/二甘醇二甲醚用作电解质，组装的钠离子电池表现出出色的倍率性能（在4000 mA/g时可达到613 mAh/g）。通过多种分析方法，系统地研究和讨论了对Co₉S₈@NC中钠存储机制的了解。

图文导读

I Co₉S₈@NC的结构和形貌表征

图1 (a) Co₉S₈@NC的XRD谱图；(b-e) Co₉S₈@NC X射线光电子能谱图；(f) Co₉S₈@NC拉曼光谱图。

图2 制备的Co₉S₈@NC的形貌和结构。(a-c) 不同放大倍数的TEM图像；(d，e) HRTEM图像；(f) 选取电子衍射图。(g) 元素分布图。

II 半电池中的钠离子存储性能

图3 Co₉S₈@NC电极的电化学性能。(a) 在最初的三个循环中，Co₉S₈@NC-9电极的CV曲线; (b) Co₉S₈@NC-9在100 mA/g时的恒电流放电曲线;在100至4000 mA/g的各种电流密度下的(c) 倍率性能和相应的(d) 充放电曲线。(e) 在1000 mA/g的高电流密度下的长时间循环稳定性。

III Co₉S₈@NC在脱/嵌钠过程结构和成分变化

图4 (a-c) 原位透射电镜研究Co₉S₈@NC电极在不同嵌钠深度下的结构变化。(d-e) Co₉S₈@NC电极0.01V和2.5V的SAED图；(f) 400次长期循环后Co₉S₈@NC电极的HRTEM图像。

图5 在Co₉S₈@NC-9/钠电池在不同放电/充电状态下的Operando XRD图谱。

IV 钠离子电容器的电化学性能

图6 Co₉S₈@NC-9//CG NIC电容器的电化学性能。(a) Co₉S₈@NC-9//CG NIC全电池的CV曲线；(b) 恒电流充放电曲线和(c) 在从0.1到5 A/g的各种电流密度下的性能；(d) Co₉S₈@NC-9//CG NIC电池的Ragone图以及与其他已报告的NIC系统进行比较；(e) Co₉S₈@NC-9//CG NIC在电流密度为1 A/g的循环性能。

作者简介

Professor George Zhao

本文通讯作者

Universityof Queensland▍主要研究领域柔性显示器和设备以及印刷电子设备的材料，工艺，设计和表征；储氢材料。

▍Email: [e-mail]

▍个人主页: 

https://researchers.uq.edu.au/researcher/474

撰稿：《纳微快报》编辑部

编辑：《纳微快报》编辑部

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