Adv. Mater. 北大&中科院聯合研發新型高容量鈉離子電池負極材料：SnSSe

【引言】

鈉離子電池（SIB）由于原料來源豐富、價格低廉、環境友好等特點，近來重新被廣泛研究，且性能得到不斷提升。過去五年里，人們研究了幾種經典的SIB負極材料，包括有SnS₂–RGO、FeSe₂、醚基電解液中的石墨、鈦基材料、黑磷-石墨烯復合材料等。金屬硫族化合物比碳材料和傳統插層化合物具有更高的理論比容量，引起人們廣泛關注。盡管在SIB負極材料方面投入很大精力，尋找高容量、長壽命并適用于商業化生產的材料仍然是一個巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，北京大學陳繼濤教授和中科院物理所薛面起研究員等通過簡單的固相反應合成了一種用于高性能的SIB負極的新型層狀材料SnSSe。SnSSe具有較大的層間距、（001）晶面優先生長、易剝落和部分贗電容行為等特性。研究人員采用簡單的球磨混合和刮刀涂布技術制備電極，使其表現出優越的電化學性能。2500 mA/g下在0.1-3.0 V內循環的第900次放電比容量達401 mAh/g；在電流密度5000 mA/g下，循環1000次放電比容量達330 mAh/g且容量無明顯衰減。并且研究人員發現SnSSe顆粒在脫嵌鈉過程中，能自發納米晶化成緊密堆積納米片，這將改善循環過程中結構損傷，有利于提高循環穩定性。

圖文導讀：

圖1 ：SnSSe樣品的晶體結構和形貌

(a) SnSSe樣品的XRD圖譜，所有的峰都對應了標準卡片。

(b) SnSSe樣品的HRSEM圖，表現出典型的層狀結構。

(c-d) SnSSe樣品的TEM和HRTEM圖。如箭頭所示，SnSSe薄層的界面分布說明通過超聲分散后層狀結構發生剝落。擬合的晶面間距0.326和0.289 nm分別對應(010)和(011)晶面。

(b)、(c)和(d)圖的比例尺分別為200、20和5 nm。

圖2： SnSSe電極的電化學性能

(a) SnSSe電極在500 mA/g下，0.5-3.0 V電壓范圍內以及隨后在2500 mA/g下，0.1-3.0 V電壓范圍內的恒流充放電曲線。在0.1 V截止電壓且電流密度更高時曲線也幾乎重疊，這顯示了SnSSe電極優越的循環性能。

(b) 在設定時間內，充電狀態的SnSSe電極在不同循環周期的電壓降。可以看出：瞬時電壓降幾乎是相同的，而隨后的電壓降則有一個小變化。

(c) 在0.1-3.0 V的電壓范圍內，掃描速率分別為0.1、0.2、0.5、0.75、和1.0 mV/s時SnSSe電極的CV圖，可以看出：所有的曲線都保持著速率為0.1 mV /s時的初始形狀，表現出優越的倍率性能。

(d) 圖c中a-e峰中log（i，峰電流）和log（ v，掃描速率）的線性關系。a-e峰的擬合斜率分別為0.666，0.782，1.078，0.685，和0.987。

圖3： SnSSe電極的循環性能和倍率性能

(a) 在電位范圍0.5/0.1-3.0 V內SnSSe電極的長循環性能。在500 mA/g下0.5-3.0 V內，前600次循環測試之后截止電壓改為0.1 V并提高電流密度為1000和2500 mA/g。在整個900次循環中，在0.1-3.0 V中2500 mA/g下表現出高達的401 mAh/g的放電比容量。

(b) 在5000 mA/g下0.1-3.0 V內SnSSe電極的長循環性能。1000次循環后，SnSSe電極的放電比容量幾乎沒有衰減，仍高達330 mAh/g。

(c) 在1000、2500、5000、7500和10000 mA/g下0.1-3.0 V內SnSSe電極的倍率性能。在7500和10000 mA/g下放電比容量分別為226和161 mAh/g，當電流密度變回來時放電比容量也能恢復。

圖4： SnSSe電極的長循環性能與其他報道的SIB負極比較（僅列舉循環次數超過500次且比容量大于200 mAh/g的負極材料）

SnSSe電極的電化學性能優勝于先前報道的SIB負極，據作者所知，在所有非復合負極材料中該電極具有最高的放電比容量。

圖5 ：SnSSe電極在電池測試前和脫鈉后（充電狀態）的SEM和HRSEM圖

(a) SnSSe電極在電池測試前的SEM圖。

(b) 圖(a)的局部放大圖。壓片后表面平整的SnSSe顆粒均勻嵌在整個電極中。

(c) 脫鈉后充電狀態下的SnSSe電極的SEM圖。

(d) 圖（c）的局部放大圖。整塊結構轉變為許許多多緊密堆積的SnSSe納米片，這更有利于提高循環穩定性。

(a)、(b)、(c)和(d)圖的比例尺分別為2、0.5、1和0.2 μm。

展望：

SnSSe電極原料來源豐富，制備過程簡單，未來通過與碳或聚合物復合將可能具有更優越的電化學性能，將是極具競爭力的SIB負極材料。而且，在反復脫嵌鈉過程中Sn的超導性會不斷改變，因此SnSSe材料也可能應用于超導器件上。

原文鏈接：Novel Metal Chalcogenide SnSSe as a High-Capacity Anode for Sodium-Ion Batteries??（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603219）

本文由材料人編輯部新能源學術組 蒜頭 供稿，背逆時光審核，點這里加入我們。歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。