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硫掺杂富氮碳纳米片用作高性能钠电负极材料
2017-01-03 09:49:21
关键词:碳纳米片负极材料碳基材料

图1:硫掺杂的示意图


  碳基材料由于资源丰富、价格低廉同时又环境友好被视为最具发展潜力的钠离子电池负极材料,硬碳、炭黑、碳纤维、石墨烯等相继见诸报端。不幸的是,大多数碳材料在不同程度上存在首次库伦效率低和循环性能差的问题,而杂环原子(例如B,N,S,P)的掺杂可改善上述问题,因为它能提高导电性,同时又能引入结合钠离子的活性位点,氮掺杂的碳基材料被广泛研究并在作为钠电负极时展现出重大进步。

  与氮相比,硫拥有更大的原子尺寸和更小的电负性,掺杂时更有利于增大层间距、引入活性位点、增强碳基材料的电学性能。从双元素掺杂的协同效应的角度来看,N/S共掺杂是实现高导电性和扩大层间距的有效方式。但是,通常用含硫的前驱体作为硫源,仅能通过扩大层间距来提高钠的嵌入,不能提供额外的的法拉第反应来进一步提高储钠容量。

  为解决此类问题,南开大学周震教授团队采用了一种完全不同的方式进行硫掺杂——在H2S气氛下热处理富氮碳纳米片。

图2:氮硫掺杂对碳材料层间距的影响



  该方式利用气-固反应直接将吡咯N取代为S,通过形成-C-S-C-键的形成来提高S的利用率(如图1所示),增大层间距的同时(图2)提供更多的活性位点来满足高度可逆的储钠反应,因此该氮硫共掺杂的多孔碳纳米片(S-N/C)用作钠电负极时展现出高容量和优异的倍率性能。

图3:S-N/C电化学性能


  从S-N/C的CV中可以看出,与N/C相比,S-N/C在1.05V有一个还原峰,对应Na+与连结在碳基底上的S之间的反应,在1.8V有一个氧化峰,表明S-N/C的部分容量是由Na+与 S之间的法拉第反应贡献。在50mA/g的电流密度下,稳定容量可保持在350mAh/g左右,即使电流密度提高到10A/g,容量仍可维持在110mAh/g左右,展现出优异的倍率性能。

  上述成果发表于AdvancedMaterial

  Yang J, Zhou X, Wu D, etal. S‐Doped N‐Rich Carbon Nanosheets with Expanded Interlayer Distance as AnodeMaterials for Sodium‐Ion Batteries[J]. Advanced Materials, 2016.

  DOI:10.1002/adma.201604108


稿件来源: 低维材料
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