西北大学：豆荚状SbSn/N掺杂碳纤维高性能钠离子电池阳极

近日，西北大学王惠/刘肖杰研究团队在纳米领域权威期刊Small上发表重要研究成果。研究人员通过静电纺丝和高温煅烧还原，初步设计了独特的豆荚状独立式膜，将SbSn点填充到包括空心碳球和氮掺杂碳纤维(B-SbSn/NCFs)在内的集成碳基体中，并将此材料用于钠离子电池的阳极，表现出了极为优异的性能。不仅不需要聚合物粘合剂和导电剂，提高了能量密度和反应动力学，而且电极的比容量可保持486.9 mAh g-1，以100 mA g-1的比容量循环400次后库仑效率接近100%。

【研究概要】

SbSn双金属合金以其较高的理论比容量(752 mAh g - 1)和良好的导电性在钠离子电池负极材料中脱颖而出。然而，主要的挑战是在循环过程中体积的巨大变化，导致容量迅速衰减。针对这一问题，通过静电纺丝和高温煅烧还原，初步设计了独特的豆荚状独立式膜，将SbSn点填充到包括空心碳球和氮掺杂碳纤维(B-SbSn/NCFs)在内的集成碳基体中。显著的是，协同碳基体不仅提高了导电性和柔韧性，而且提供了足够的缓冲空间来缓解金属颗粒的大体积变化。更重要的是，B-SbSn/NCFs独立式膜可以直接作为阳极使用，无需聚合物粘合剂和导电剂，提高了能量密度和反应动力学。令人满意的是，独立的BSbSn/NCFs膜阳极在SIB中表现出优异的电化学性能。膜电极的比容量可保持486.9 mAh g-1，以100 mA g-1的比容量循环400次后库仑效率接近100%。此外，基于B-SbSn/NCFs阳极的全电池也表现出良好的电化学性能。

【研究背景】

钠离子电池(sib)作为一种绿色能源存储设备，因其钠资源丰富(约占地壳的2.8 wt%)、低成本和环境友好等特点而受到广泛关注。然而，大直径(0.102 nm)和高质量的钠在合金/脱合金过程中表现出相当大的阻力，导致段塞离子动力学、可逆性和速率性能较差。因此，开发高性能sib的负极材料已成为人们关注的焦点。

SbSn双金属合金以其较高的理论比容量和良好的导电性在钠离子电池负极材料中脱颖而出。然而，主要的挑战是在循环过程中体积的巨大变化，导致容量迅速衰减。针对这一问题，本研究通过静电纺丝和高温煅烧还原，初步设计了独特的豆荚状独立式膜，将SbSn点填充到包括空心碳球和氮掺杂碳纤维(B-SbSn/NCFs)在内的集成碳基体中。协同碳基体不仅提高了导电性和柔韧性，而且提供了足够的缓冲空间来缓解金属颗粒的大体积变化。更重要的是，B-SbSn/NCFs独立式膜可以直接作为阳极使用，无需聚合物粘合剂和导电剂，提高了能量密度和反应动力学。

【图文解析】

Figure 1. a) Schematic of the formation procedure of the B-SbSn/NCFs membrane; b) the bending performance of the B-SbSn/NCFs membrane; c) photographs of the NaClO4 electrolyte wetting behaviors of the SbSn/NCFs membrane.

Figure 2. Morphology and structural characterization of B-SbSn/NCFs membrane: a) SEM image of HCSs and inset of (a) TEM image; b) SEM image of precursor membrane; c) SEM image; d) XRD pattern; e) TEM image; f) SAED image; g) HRTEM image; h–m) TEM-EDS element mapping of B-SbSn/NCFs membrane.

Figure 3. Characterization studies of B-SbSn/NCFs membrane: a) Raman spectrum; b) TGA profile; c) N2 adsorption–desorption isothermal curves and the inset of (c) is pore distribution; d) Conductivity–pressure histogram; e) XPS full spectrum; high-resolution XPS spectra of f) C 1s; g) N 1s; h) Sn 3d; i) Sb 3d.

Figure 4. a) XRD pattern of samples obtained at different calcination temperatures; b) TEM, HRTEM, and TEM-EDS mapping of the sample at the 250 C for 2 h; c) TEM, inset of SAED and HRTEM, TEM-EDS element mapping of the sample at 425 C; d) TEM, inset of SAED and HRTEM, TEM-EDS element mapping of the sample at 600 C.

Figure 5. Electrochemical characterization studies of the as-obtained electrodes in SIBs.

Figure 6. a) XRD pattern; b) TEM image; c) SAED image; and d) TEM-EDS element mapping of B-SbSn/NCFs electrode after 400 cycles; e,f) NVOPF@3Dc discharge curve combined with B-SbSn/NCFs charge curve and B-SbSn/NCFs discharge curve combined with NVOPF@3Dc charge curve; g) cycling capacity of full cell; h) photograph of lighting up LED bulbs.

Figure 7. a–i) Calculation model of NaxSbSn (x = 1–9); j) the formation energy of NaxSbSn (x = 1–9); k) the volume change ratio of NaxSbSn (x = 1–9) versus SbSn.

【文章信息】

Dang, J., Zhu, R., Zhang, S., Yang, L., Chen, X., Wang, H., Liu, X., Bean Pod-Like SbSn/N-Doped Carbon Fibers toward a Binder Free, Free-Standing, and High-Performance Anode for Sodium-Ion Batteries. Small 2022, 2107869.

https://doi.org/10.1002/smll.202107869

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