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[原创]中南大学：氮硫共掺杂碳纤维包覆SnS纳米颗粒用于高性能钠离子电池（2018-08-27 15:53:53）

标签：能源环境 静电纺丝  

近年来，由于钠的天然储量丰富、成本低，钠离子电池（SIB）受到越来越多的关注。但是，由于钠离子半径较大，大多数适用于锂离子电池负极材料无法满足钠离子电池条件。基于转化-合金化储钠机制的锡基材料具有较高的理论容量，其中，SnS 因其独特的层状结构和较大层间距成为较理想的候选负极材料。但是，SnS在充放电循环过程中发生较大的体积变化，导致材料粉碎、电池循环寿命差。

近日，中南大学潘安强教授和梁叔全教授（共同通讯作者）在国际顶级期刊（知名期刊）Energy Storage Materials上发表题为“Tin Sulfide Nanoparticles Embedded in Sulfur and Nitrogen Dual-Doped Mesoporous Carbon Fibers as High-Performance Anodes with Battery-Capacitive Sodium Storage”的文章，第一作者为博士研究生王亚平。研究者通过静电纺丝法成功合成了氮、硫共掺杂介孔碳纤维包覆SnS纳米颗粒（SnS@SNCF-55）的复合材料。当其用于钠离子电池负极时，表现出优异的循环和倍率性能。

研究人员首先将聚丙烯腈（PAN）、SnCl2﹒2H2O、硫粉在加热条件下溶于到DMF中。通过静电纺丝获得前驱体纤维，随后在空气中煅烧固化纤维，最后在Ar气中高温碳化得到SnS@SNCF-55负极材料（图1）。SnS@SNCF-55材料具有特殊的多孔结构，且SnS嵌于氮、硫共掺杂的碳中（图2），同时碳纤维边缘被部分石墨化，具有较大的层间距。当SnS@SNCF-55材料作为钠离子电池负极时，在0.1A/g的电流密度下，100次循环后容量高达600mAh/g。在0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2A/g的电流密度下容量分别为796, 630, 490, 433, 400, 341, 289mAh/g。在1A/g大电流密度下循环500圈之后，复合电极的容量仍然保持在332mAh/g，单圈容量衰减率为0.04%（图3）。作者以Na3V2(PO4)3作为正极组装全电池（图4），在0.1-3.0V的电压窗口内，在0.1A/g下的容量为300mAh/g。

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图1. SnS@SNCF-55 的制备过程。

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图2. （a，b）不同放大倍数下SnS@SNCF-55的SEM图片；（c-g）SnS@SNCF-55的TEM、HRTEM及相对应的SAED图片；（h-i）Sn、S、C、N的元素分布图。

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图3. （a）SnS@SNCF-55的CV曲线，扫描速率为0.1mV/s。（b）0.1A/g下SnS@SNCF循环性能。（c）一系列SnS@SNCF材料的倍率性能。（d）不同电流密度下SnS@SNCF-55的充放电曲线。（e）在1A/g下SnS@SNCF-55的循环稳定性。

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图4. （a）以Na3V2(PO4)3为正极，SnS@SNCF-55作为负极的全电池示意图。（b）0.1A/g电流密度下全电池的充放电曲线。（c）在0.1A/g下全电池的循环性能。

作者考察了不同扫速下的CV测试以进一步研究其储能机理，研究结果表明该材料具有优异电化学性能的可能原因是：（1）碳纤维可以有效缓冲SnS在充放电过程中产生的体积膨胀，防止SnS粉化；（2）碳纤维具有多孔结构有利于电解液的渗入与传输；（3）氮、硫共掺杂可有效提高材料导电性，且可以使碳纤维边缘部分石墨化，增大碳材料层间距；（4）部分外在的赝电容效应可以提高电极材料的倍率性能。

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文章来源：易丝帮