Small:二维纳米碳墙包埋金属锑实现超快钠离子存储

开发低成本、高性能的能源储存器件是满足人类社会可持续发展所追求的目标之一。传统的锂离子电池存在价格飞涨、资源分布不均等缺点,所以寻找低成本的可充电电池成为急迫的任务。钠离子电池由于其低廉的价格和广泛的元素分布被认为锂离子电池最有希望的替代者,可以应用于大规模储能电站与智能电网,以应对日益严重的能源、环境危机。然而,钠离子半径大导致在脱嵌钠过程中出现缓慢的反应动力学以及剧烈的体积膨胀,不可避免地导致钠离子电池快速的容量衰减和差的倍率性能等缺陷,限制了钠离子电池的大规模实际应用。

为解决上述问题,华南理工大学化学与化工学院吴松平团队与材料科学与工程学院严玉蓉团队合作,运用冷冻干燥法与牺牲模板法成功合成了一种包埋在开放碳二维纳米墙中的中空锑纳米颗粒(Sb HPs@OCB)。Sb HPs@OCB展现了优异的超快储钠能力及极端条件下的高可靠性:在电流密度为16 A g-1 下和高温(50℃)环境中,表现出345 mAh g-1 的超高倍率性能;在10 A g-1 的大电流密度下、经过300圈循环,依然有187 mAh g1 的容量保持。该工作还深入研究了该材料产生优异电化学性能的内在机制。

中空锑纳米粒子包埋在二维碳墙的独特结构能够提供丰富的反应位点,缓冲体积膨胀的应力,以及短的离子电子扩散路径;中空锑纳米粒子与碳基体存在的强有力的Sb-O-C 能够保持复合材料在大倍率下的循环时的结构完整性;精确的理论计算显示显著的赝电容存在对于提高电性能也有重要贡献。这些内在的综合特性使得Sb HPs@OCB材料具有高温下超高的倍率性能。该工作能够为具有独特结构的二维纳米材料提供了温和、通用的合成方法,对极端条件钠离子电池的电化学性能及可靠性研究进行了有益的探索,对先进可充电电池关键材料的构效关系及储能机理研究提供有效的借鉴。

相关论文以“Ultra-high rate performance of hollow antimony nanoparticles impregnated in open carbon boxes for sodium-ion battery under elevated temperature”为题发表在small上(DOI:10.1002/smll.201903521)。本文作者为华南理工大学化学与化工学院硕士生续安鼎(第一作者),材料学院严玉蓉教授(通讯作者)和化工学院吴松平副教授(通讯作者)。