Small Methods:碳纤维锚定的空心碳纳米反应器限域SnS₂纳米片用于自支撑柔性电极

一维材料具有很好宏观定向传输性能和可弯曲性能,二维纳米材料具有较大的比表面积和更多活性位点,使它们在可穿戴电子设备和能源具有巨大的应用前景。近年来,构建一维与二维复合材料,还能同时保持一维和二维特性成为研究的难点,也是实现优异电化学性能的有效策略之一。SnS2作为典型的二维材料,在储锂/钠领域具有高比容量,受到研究者的关注。但是其较差的导电性和较大的体积膨胀导致容量的剧烈衰减,严重阻碍了其进一步应用。而且常规的粉末状材料常添加额外的导电剂和粘结剂制成浆料涂覆在较重的集流体上,不仅影响电池整体能量密度,还存在活性材料脱落的风险。因此,采用一维导电纳米材料为基底结合SnS2二维纳米片制备一体化自支撑的SnS2基电极材料,有利于提高电池能量密度,改善性能。

近日,东华大学邹儒佳课题组结合静电纺丝技术和溶剂热法,成功将二维SnS2纳米片封装在碳纤维锚定的空心碳纳米反应器内,制备了自支撑柔性电极材料(SnS2@C/CNF),长循环测试下,SnS2@C/CNF表现出483.2 mAh g−1 (5 A g−1) 的储锂性能和478.7 mAh g−1(2 A g-1)的储钠性能。一体化的碳纤维网络和精确设计的空心碳纳米反应器,有效地改善了导电性,缓解了电化学过程中的体积膨胀,提高材料利用率:(1)导电的碳纤维骨架不仅提供了快速的电子传输通道,同时交织成网形成自支撑柔性薄膜电极,有效地避免了粘结剂和集流体的使用;(2)N,S双掺杂的碳纤维牢牢将空心碳纳米反应器锚定防止其在电化学反应中的团聚和脱落,有利于提高电容效应,增强稳定性;(3)空心的碳纳米反应器精确的将SnS2纳米片限制在内部,有效地缓解了体积膨胀,同时最大程度的减少空间的浪费,以实现材料体积的最大利用率。

图1. SnS2@C/CNF静电纺丝过程和合成过程示意图。

采用静电纺丝法将核壳结构的SiO2@SnO2纳米球集成到PAN纤维中,碳化后得到SiO2@SnO2/CNF。将SiO2刻蚀后利用溶剂热进行原位硫化,得到SnS2@C/CNF。电镜图片可以看出空心碳纳米反应器牢牢地锚定在碳纤维上,SnS2纳米片被完整地限制在碳纳米反应器内部。

图2. SnS2@C/CNF的SEM图像(a-c),TEM图像(d-e),高分辨TEM图像和选取电子衍射图像以及EDS-Mapping图像。

图3. SnS2@C/CNF的锂离子电池性能测试:(a)CV曲线,(b)0.2 A g-1电流密度下的循环性能,(c)前10圈SnS2@C/CNF和CNF@SnS2的库仑效率变化,(d)SnS2@C/CNF及对比样的倍率性能,(e)5 A g-1 大电流下的长循环测试。

SnS2@C/CNF表现出优异的循环稳定性和高比容量。0.2 A g-1的电流下比容量高达964.8 mAh g-1, 初始三圈后库仑效率达到100%。倍率性能测试中在5 A g-1的大电流下比容量高达514.3 mAh g-1;在此大电流下循环1000次后比容量仍保持有 483.2 mAh g-1,容量保持率为87.4%。

图4. SnS2@C/CNF的钠离子电池性能测试:(a)充放电曲线,(b) b)0.2 A g-1电流密度下的循环性能,(c)SnS2@C/CNF及对比样的倍率性能,(d)2 A g-1 大电流下的长循环测试。

SnS2@C/CNF同样表现出优异的储钠特性,在0.2 A g-1电流下比容量高达809.7 mAh g-1。倍率性能测试表明在5 A g-1大电流时比容量仍有 324.9 mAh g-1。长循环测试中在2 A g-1的电流下循环1000次仍有478.7 mAh g-1的比容量。

邹儒佳教授简介:东华大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,浦江学者、香江学者、东华大学励志人才计划。致力于纳米材料的制备、结构和单体性能及器件研究。目前,总共在Prog. Mater. Sci.Acc. Chem. Res.JACSAdv. Mater.等学术期刊发表SCI论文110余篇,文章被引用超过9000余次,H-index:49,单篇最高引用次数为900余次。授权专利20余项。获得包括国家自然基金、上海市自然基金,中国博后等项目资助,获得上海市优秀博士生学位论文、优秀硕士生学位论文等多项奖励和荣誉。

论文信息:

Tailoring the Void Space Using Nanoreactors on Carbon Fibers to Confine SnS2 Nanosheets for Ultrastable Lithium/Sodium-Ion Batteries

Zhe Cui, Shu-Ang He, Jinqi Zhu, Mengluan Gao, Hao Wang, Hao Zhang*, Rujia Zou*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101484

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101484