低温溶剂热合成磷化锡/石墨烯高性能钠离子电池负极材料

随着生态环境的污染,化石能源的枯竭,风能、太阳能、潮汐能等新型清洁能源受到人们越来越多的关注和开发。但是,这些新型能源受自然气候、地理环境等因素的影响比较大,属于间歇性能源,如果将其产生的间歇性的、不稳定的电能并入电网,将严重干扰电网的正常运行。因此开发满足大规模储能应用,“低成本”、“高安全”、“大规模” 的新型储能技术已成为世界范围内的研究热点。
相比于锂离子电池,钠离子电池具有成本低,安全性好等显著优点。钠离子电池被认为是大规模储能应用的关键技术。然而钠离子的离子半径较锂离子半径大35%以上,使得其在晶格中相对不稳定,难以进行脱嵌,而且动力学速度很慢。要获得高性能的钠离子电池,必须设计导电性高、循环稳定性好的钠离子电池电极材料。由于具有高的理论容量和良好的导电性,磷化锡(Sn4P3)材料作为钠离子电池负极材料受到人们的广泛关注。但是,传统球磨方法合成磷化锡钠离子电池负极材料存在着结晶性差,粒径大,结构不可控等问题。

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针对上述问题,山东大学尹龙卫教授课题组提出了一种低温溶剂热磷化路径制备磷化锡/石墨烯复合材料的方法。首先,以氯化亚锡为锡源,以硼氢化钠为还原剂,通过液相还原制备了锡/石墨烯复合材料。然后,锡/石墨烯复合材料与红磷作为原料在乙二胺中通过低温溶剂热合成了磷化锡/石墨烯复合材料。在该复合材料中,磷化锡纳米粒子的平均粒径在6 nm左右,均匀负载在石墨烯纳米片上,且相互连接形成了三维多孔结构。三维多孔复合结构缓冲了电极材料在充放电过程中产生的大的体积膨胀,石墨烯提高了材料的导电性。复合电极材料表现出了优异的钠离子储存性能。在100 mA g-1 的电流密度下,经过100 次循环后,这种复合材料能够保持656 mA h g-1 的高可逆容量。在2.0 Ag-1 的高电流密度下,仍然能够保持391 mA h g-1 的可逆容量。此外,复合材料体现出优异的长循环性能,在1.0 A g-1 的高电流密度下,经过1500 次长循环后,这种复合材料能够保持362 mA h g-1 的高容量。本研究提供了一种合成金属磷化物/石墨烯复合材料的新思路,Sn4P3/RGO 纳米复合材料在钠离子电池上有很好的应用前景。

相关研究成果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201600376)上。

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