中國地質大學余家國&張留洋AM：石墨烯造孔結合原位生長Co3Se4用于高性能鈉離子電池

MYu 3個月前 (03-24) 1186瀏覽

一、【導讀】

鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高和循環壽命長的優點，是目前應用最廣泛的二次電池體系，但鋰元素在地殼中儲量有限且提煉困難，逐漸提高的成本限制了LIBs的進一步發展。相比于鋰，鈉元素儲量豐富，成本較低，且鈉離子電池（SIBs）與LIBs工作原理類似，因而有望能夠在將來取代LIBs。目前應用最廣的SIBs負極是硬碳材料，它具有高容量（≈ 350 mAh g^-1）和低操作電壓（約0.3 V）的優點，但其倍率性能較差，因此急需開發新型SIBs用負極材料。其中，鈷基硫屬化合物具有高理論容量，窄帶隙，但其電子與離子傳導率仍需提高。通過與石墨烯復合能夠解決這一問題，但由于石墨烯片的堆疊會對電解質離子的傳遞形成物理阻隔作用，該類復合材料的倍率容量仍有待提高。

二、【成果掠影】

近日，中國地質大學余家國教授和張留洋教授課題組通過結合熱刻蝕法和原位轉化策略合成了由含孔石墨烯（holey graphene, HG）和在其孔洞附近均勻分布的Co₃Se₄納米顆粒組成的納米雜化物。HG中的孔洞為電解質離子開啟了縱向擴散通道，縮短了其在電極材料中的擴散距離。Co₃Se₄/HG材料兼具出色的倍率性能和循環性能，在5.0 A g^-1下容量達到519.5 mAh g^-1，在2.0 A g^-1下循環1000次后仍能保持464.3 mAh g^-1。該研究成果以“Pore Perforation of Graphene Coupled with In Situ Growth of Co₃Se₄ for High-Performance Na-Ion Battery”為題發表在知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

在石墨烯片中構建面內納米孔可以為電解質離子的縱向擴散提供通道，縮短其在電極中的傳遞距離，使石墨烯基材料同時兼具高導電性和高離子傳遞性。

四、【數據概覽】

圖1? (a) Co₃Se₄/HG的合成過程示意圖； (b,e) Co-precursor/rGO, (c,f) Co/HG, (d,g) Co₃Se₄/HG的FE-SEM圖像。? ? 2023 Wiley-VCH

圖2? Co₃Se₄/HG的 (a,b) TEM，(c,d) HR-TEM圖像，(e) HAADF-STEM圖像及對應的EDS元素分布圖。? ? 2023 Wiley-VCH

圖3? (a) Co-precursor/rGO, Co/HG和Co₃Se₄/HG的XRD譜圖；(b) Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO的拉曼光譜；(c) Co 2p和(d) Se 3d的高分辨XPS光譜。? ? 2023 Wiley-VCH

圖4? Co₃Se₄/HG (a) 在0.2 mV s^-1下的CV曲線和(b) GCD曲線；Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO的(c) 循環性能和(d) 倍率性能；(e)不同電流密度下的Co₃Se₄/HG的GCD曲線；(f) 與文獻數據對比圖；(g) Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO電極的長循環性能。? ? 2023 Wiley-VCH

圖5? Co₃Se₄/HG電極的(a) CV曲線，(b) log(i)和log(v)的關系，(c) 0.2 mV s^-1下的電容貢獻；(d) Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO的電容貢獻比；Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO的(e) 奈奎斯特曲線，(f) Z’與ω^-1/2線性擬合，(g) GITT曲線；(h) 單次電流脈沖時的電壓隨時間的響應曲線；(i) Co₃Se₄/HG和Co₃Se₄/rGO的鈉離子擴散系數。? ? 2023 Wiley-VCH