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焦丽芳课题组:Advanced Energy Materials—具有稳定高效钠离子存储性能的异质结SnSe2/ZnSe@PDA纳米盒子
2020-06-17  

由于环境污染问题日趋严重和不断增长的能源需求,近年来可充电二次电池引起了诸多关注。其中钠离子电池由于价格低廉、资源丰富并且具有与锂离子电池相似的化学性质等特点成为了有力的候选者。但是由于钠离子的半径和摩尔质量都相对较大,导致其反应动力学缓慢,并且在脱嵌过程中容易破坏材料的结构。这些问题阻碍了钠离子电池的实际应用和发展,因此需要合理的构建适应钠离子电池体系的电极材料。硒化锡(SnSe2)是一种具有较大层间距的二维层状金属硒化物,材料的层状结构有利于容纳更多的钠离子和缓解体积膨胀的问题。同时SnSe2具有较高的理论容量和体积容量密度,并且由于其能隙较窄使材料拥有优良的电导率,这些优点让SnSe2成为了备受关注的负极材料。但是单相材料的稳定性相对较差,循环过程中由于体积膨胀导致的粉化脱落等问题仍待解决。

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我院焦丽芳课题组针对这一问题利用异质结、中空结构和柔性高分子碳层包覆三个方面的协同作用,设计并通过简单的共沉淀法和煅烧硒化制备出了一种纳米盒子材料SnSe2/ZnSe@PDA,同时对其进行了详细的表征和阐述,该材料具有优异的电化学性能和循环寿命。相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202000741)上。
由于材料中SnSe2和ZnSe的晶格在界面处存在大量的扭曲和畸变,并且异质结构使材料处于长程无序的状态,这大大提高了材料的热力学稳定性。他们通过XPS测试中Sn4+和Zn2+信号峰的偏移确认了电子在晶格界面处从SnSe2转移向ZnSe,电荷的不均匀分布有利于促进钠离子的吸附并提升材料的反应动力学速率。其次,SnSe2/ZnSe@PDA纳米盒子的空心结构和均匀分布的孔隙可以有效地缓解体积膨胀,并增加电极与电解质之间的接触面积从而充分浸润,能够有效地提高材料的电化学性能。此外,他们用具有弹性和导电性的聚多巴胺作为缓冲层来保护SnSe2/ZnSe内核,这样可以有效地解决循环过程中材料的粉化脱落和活性物质聚集等问题。合成的SnSe2/ZnSe@PDA纳米盒子在100 mA g-1的电流密度下循环200次后具有744 mA h g-1的可逆容量,并且在1 A g-1的大电流下进行了1000圈的长循环后容量基本没有出现衰减,这证明了设计的材料具有出色的电化学性能。这项工作为钠离子电池开发高性能和长寿命的负极材料提供了选择。


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