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[原创]静电纺丝制备SnSb纳米颗粒/富氮多孔碳纳米线复合材料提高钠离子电池的循环寿命（2019-01-03 16:46:24）

标签：能源环境 静电纺丝  

合金类钠离子电池负极材料，因其在充放电过程中伴随着多电子反应，往往具有较高的理论容量。而SnSb作为一种双金属合金材料，不仅具备高理论容量（~752 mAh/g），而且具有得天独厚的电位优势。由于Sb和Sn与Na+的合金化反应电位不同，可以有效抑制充放电过程中材料内部产生的应力对材料结构的破坏，从而维持材料结构的稳定性。此外，与金属硫化物、金属氧化物相比，单纯的合金化机制不会产生导电性差的产物，如Na2S和Na2O等，实现了原子的经济化利用。但是，Sn盐和Sb盐极易发生水解，普通的制备方法很难控制水解速度，导致颗粒团聚、变大等问题，从而严重的阻碍了Na+的传输和扩散，不利于发挥SnSb合金的优势。此外，合金类电极材料面临的另一个致命弱点则是充放电过程中材料的粉化和再团聚问题，这将使活性材料的结构完整性遭到严重破坏，从而失去电化学活性，容量迅速衰减。因而，纯相的SnSb双金属合金并不能满足循环寿命的需求。

最近，南开大学材料科学与工程学院周震教授课题组通过静电纺丝的方法将尺寸为20nm以内的SnSb纳米颗粒嵌入到直径为~200-300nm的一维氮掺杂多孔碳纳米线中（SnSb/N-PCNWs），直接避免了Sn盐和Sb盐的水解问题，同时，巧妙地利用尿素来增加碳纳米线的氮功能基团的含量（从9.84%增加到11.89%），改善复合材料的电子结构，通过高比例赝电容的能量存储形式提升材料的倍率性能。当其作为钠离子电池负极材料时，在2A/g的大电流密度下，可以稳定循环10000圈且无明显的容量衰减。作者从动力学过程、相转变、合金/去合金化反应的可逆程度及结构的稳定性多方面详细分析了SnSb/N-PCNWs复合材料具备超稳定循环性能及优异的倍率性能的原因。相关工作发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上，谷海辰和杨乐萍为共同第一作者。

样品制备过程：

具有高度可逆合金/去合金行为的SnSb纳米颗粒/富氮多孔碳纳米线复合材料用于钠离子电池实现超长的循环寿命

负极材料SnSb/N-PCNWs是通过静电纺丝的方法合成的。具体如下：将0.65g聚丙烯腈（PAN，MW=150,000）与0.15g尿素一起加入10mL二甲基甲酰胺（DMF）中并充分搅拌12h形成均一的溶液A。然后称取0.23g SbCl3和0.19g SnCl2一并加入溶液A中，继续搅拌12h，记作溶液B。用10mL的塑料针管吸入溶液B，选择20号钝形针头，推进速率设置为5μL/min。针头与高电压镊子相连，接收转筒外包裹铝箔。针头与转筒间的电压设置为15kV，距离为15cm。启动纺丝设备，即可获得白色的线状产物。纺丝完毕后，将转筒上的薄膜在50℃的烘箱中烘干6h，使其表面的少量的有机溶剂挥发。将烘干后的薄膜在马弗炉内280℃空气的条件下稳定3h，升温速率设定为2.5℃/min。然后在700℃氩氢混合气体（Ar (95 vol. %)/H2 (5 vol. %)）的保护下再煅烧3h，升温速率设定为5℃/min。最后获得目标产物SnSb/N-PCNWs。扣式电池组装之前将煅烧样品研磨至粉末。

为了分析比较，作者制备了对比样SnSb/CNWs、N-PCNWs以及体相SnSb（Bulk-SnSb），其中SnSb/CNWs在纺丝液中不放入尿素；N-PCNWs仅仅为氮掺杂碳纳米线，而没有SnSb纳米颗粒。Bulk-SnSb的合成如下：首先将0.23g SbCl3与0.19g SnCl2溶解于10 mL的DMF液体中并搅拌12h。然后将溶液在油浴中蒸干，获得的粉末在50℃的烘箱中干燥6 h然后在700℃下氩氢保护气体（Ar (95 vol. %)/H2 (5 vol. %)）的环境下煅烧3 h，升温速率设定为5℃/min。最终获得Bulk-SnSb产物。获得的样品进行充分研磨。

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文章来源：易丝帮