独特结构的高倍率和循环稳定的硫化钴/石墨烯钠电负极材料

随着电动汽车和智能电网建设的加速推进,储能技术的发展也成为目前全球最热点的研究领域之一,电化学储能技术具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等特点,最符合当今能源的发展方向。目前,虽然锂离子电池在便携式设备、电动汽车、大规模电站储能等领域的规模化应用,但是人们开始对有限的锂电池原料资源能否满足日益增长的锂离子电池需求感到担忧,这在一定程度上限制了其在未来进一步的广泛应用。钠和锂具有相似的理化性质,且钠资源储量丰富(地壳中含量第六)、价格低廉,故钠离子电池被认为是未来用于大规模储能的可替代储能技术之一,开发基于钠和钠离子的二次储能体系是一个非常合理和有前景的选择,近些年来受到广泛关注。然而由于Na+半径较大,锂离子电池中成熟的石墨负极材料并不适用,寻找具有优良电化学活性的钠电负极材料成为重要研究课题。

作为电池储能材料,由于具有可以实现转换和合金反应的多电子转移特性,过渡金属硫化物具有较高的理论容量,从而得到人们的广泛研究,有望成为优异的钠离子电池负极材料。然而,由于转化反应的多相共存的机制而导致的动力学问题和金属硫化物的较低的电导率限制了其充放电的倍率性能。并且,金属硫化物在充放电过程中巨大的体积和结构变化导致其循环性能极差,远达不到实际应用的要求。

Smallpengshengjie

近期,新加坡国立大学的彭生杰博士及Seeram Ramakrishna教授等人,通过一步简单快速溶剂热反应合成了一种新颖的石墨烯负载CoS纳米片复合材料,用于钠离子电池负极材料,展现了优异的电化学充放电行为:包括较高的放电容量(0.1 A g-1下比容量达540 mAh g-1),突出的高倍率性能(10 A g-1下比容量依然能保持在306 mAh g-1)和长寿命循环稳定性(1 A g-1下循环1000圈后比容量为420 mAh g-1,保持率为88 %)。与Na3VPO4@C正极材料组装的钠全电池能表现出了381 mAh g-1的初始放电容量,且能量密度达92 Wh kg-1。研究表明,该材料优异的电化学活性源于以下因素:第一,超薄高分散CoS纳米片,暴露了更多的电化学活性位点且有利于电子和离子的快速传输;第二,二维石墨烯构筑的导电网络框架不仅保证了电子的有效传导,提升了材料的整体导电性,而且阻止了活性物质的脱落和团聚,增强了材料的结构稳定性;第三,新颖的纳米多孔结构,在促使活性物质与电解液充分接触的同时能有效缓解充放电循环过程中的体积变化。研究成果将为廉价、高效的钠离子电池负极材料的设计和开发提供借鉴价值和指导意义。

相关成果发表在近期的Small (DOI: 10.1002/smll.201502788) 上。