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武汉大学构建了Sn@Mn2SnO4-NC 双金属空心立方体复合材料

  北橙        2021-08-19 15:29:55

当前,环境污染、资源短缺等问题日益严峻,可再生新能源和能量储存技术的开发势在必行。作为当前主要的储能技术,锂离子电池已取得商业成功,并广泛应用于便携式设备、电动汽车等。但是,商用的石墨负极只能达到372 mAh g-1的理论比容量,不能满足高能量/功率密度设备的需求。钠离子电池因其丰富的储量以及与锂离子电池类似的电化学机制受到关注,但是由于更大的Na离子半径而引起的迟滞的反应动力学问题,使得这种电池技术发展受到限制。因此,开发优异储锂/钠性能的新型负极材料对现有电池系统的发展至关重要。锡基材料因自身丰富的储量以及高的理论容量,被认为是有潜力的锂/钠离子电池负极材料候选者。然而,这些锡基材料具有较差的固有导电性以及在循环过程中巨大的体积变化,阻碍了其实际应用。最常见的解决措施是将活性物质与碳材料结合,从而提高活性材料的导电性并保持材料结构的完整。然而,过多地与碳材料复合会直接导致容量的降低。目前,实现材料的高电子/离子电导率,同时能够适应体积变化仍是一个巨大的挑战。


近日,武汉大学刘启明团队在ACS Applied Materials&Interfaces发表论文,报道了一种通过引入异质金属元素Mn,构建了一种包裹在氮掺杂碳层中的双金属Mn2SnO4纳米颗粒和Sn的中空立方体(Sn Mn2SnO4-NC)。所设计的Sn Mn2SnO4-NC主体表现出以下优点:1)中空的立方体结构可提供丰富的活性位点并缩短离子扩散路径,有利于电子传输和锂/钠离子扩散;2)Sn和Mn2SnO4周围的碳层,不仅有利于结构的完整性和导电性,而且避免了活性物质与电解质的直接接触;3)异质元素Mn的引入改善了材料的导电性,加速了循环过程中反应动力学。Sn Mn2SnO4-NC作为锂/钠离子电池负极材料,结合突出的结构优势以及双金属的协同效应,表现出优异的倍率性能和循环稳定性。该工作为双金属复合电极材料的构建提供了新的指导。


本文亮点:


1、构建了Sn Mn2SnO4-NC双金属空心立方体复合材料。


2、系统地探索了异质元素Mn的引入在促进锂/钠存储动力学方面的积极作用。


3、Mn的引入促进了费米能级上态密度的增加,证明了异质金属Mn的引入改善了材料的导电性,显著增强了反应动力学。

武汉大学构建了Sn@Mn2SnO4-NC 双金属空心立方体复合材料


武汉大学构建了Sn@Mn2SnO4-NC 双金属空心立方体复合材料


图1.SnO2,SnO2 MnO2和Sn Mn2SnO4-NC的合成与表征


本文通过简单的水热-煅烧法制备了Sn Mn2SnO4-NC中空立方体复合材料,Mn2SnO4和Sn纳米颗粒均匀分布在直径大约为1μm立方体中(图1)。

武汉大学构建了Sn@Mn2SnO4-NC 双金属空心立方体复合材料

图2.锂离子电池电化学性能测试结果


在锂离子电池电化学性能测试中(图2),Sn Mn2SnO4-NC在0.1 A g-1下具有1039.5 mAh g-1的高比容量,且拥有优异的倍率性能和循环稳定性(在5 A g-1下的比容量为554.2 mAh g-1;1 A g-1下循环600次后容量保持823.8 mAh g-1)。而在对比实验中,Sn SnO2-NC在0.1 A g-1电流密度下仅保持469.1 mAh g-1的比容量,表明双金属Sn/Mn的结合有利于电子/离子的传输,从而改善反应动力学。此外,和大多数已报道的Sn-基/Mn-基负极材料相比,Sn Mn2SnO4-NC电极表现出优异的电化学性能。

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图3.钠离子电池电化学性能测试结果


在本文Sn Mn2SnO4-NC首次被用在钠离子电池中,钠离子电池电化学性能测试结果表明,Sn Mn2SnO4-NC负极在2 A g-1下甚至能循环7000次并保持185.8 mAh g-1的比容量(图3)。和大多数已报道的Sn-基/Mn-基负极材料相比,Sn Mn2SnO4-NC电极表现杰出的循环稳定性。在50 mA g-1下,Sn Mn2SnO4-NC和Sn SnO2-NC循环100次后所对应的比容量分别为279.1和184.4 mAh g-1,表明异质元素Mn的引入也成功提升了钠离子扩散动力学。

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图4.Sn SnO2和Sn Mn2SnO4的晶体结构和相应的态密度。


为了进一步分析异质元素Mn的引入对锂/钠存储的促进作用,本文借助第一性原理计算,构建Sn SnO2和Sn Mn2SnO4的晶体结构并且计算出相应的态密度(图4)。结果表明异质元素Mn的引入促进了费米能级上态密度的增加,证明异质金属Mn的引入改善了材料的导电性,加快了循环过程中电子/离子扩散动力学。


该研究进展发表在ACS Applied Materials&Interfaces上。该论文第一作者为博士生万淑云,通讯作者为刘启明教授。该工作得到国家自然科学基金(51572202)资助。


来源:x-mol

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