Tấm nanosheet dạng sandwich 2D chứa các hạt nano Sb siêu mịn gắn lên graphene cho việc lưu trữ natri hiệu suất cao

Nano Research - Tập 10 - Trang 4360-4367 - 2017
Xiaowu Liu1, Man Gao1, Hai Yang1, Xiongwu Zhong1, Yan Yu1,2,3
1CAS Key Materials for Energy Conversion, Department of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei, China
2Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry (Ministry of Education), Nankai University, Tianjin, China
3State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei, China

Tóm tắt

Sb được xem là một vật liệu anot tiềm năng cho pin ion natri (NIBs) hiệu suất cao nhờ vào dung lượng lý thuyết cụ thể cao (660 mAh·g−1). Tuy nhiên, Sb có sự thay đổi thể tích rất lớn (∼200%) trong quá trình sodiation và desodiation, dẫn đến hiệu suất điện hóa kém. Ở đây, chúng tôi đã thiết kế và thử nghiệm một vật liệu nanocomposite dạng sandwich hỗ trợ graphene (được gọi là Sb@RGO@Sb), trong đó các hạt nano Sb siêu mịn được neo chắc chắn trên bề mặt graphene oxide đã giảm (RGO). Các tinh thể nano Sb siêu mịn được neo trên bề mặt RGO giảm thiểu sự kết tụ của Sb và ngăn chặn sự xếp chồng lại của các lớp RGO, dẫn đến chiều dài vận chuyển tối thiểu cho cả ion và electron. Lớp graphene không chỉ chứa được sự biến đổi thể tích lớn của Sb trong quá trình chu kỳ mà còn thúc đẩy độ dẫn điện của toàn bộ điện cực. Nhờ cấu trúc độc đáo này, composite dạng sandwich này thể hiện tính năng lưu trữ natri vượt trội.

Từ khóa

#vật liệu anot #pin ion natri #Sb #graphene #vật liệu nanocomposite #hiệu suất lưu trữ natri

Tài liệu tham khảo

Palomares, V.; Serras, P.; Villaluenga, I.; Hueso, K. B.; Carretero-González, J.; Rojo, T. Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5884–5901. Slater, M. D.; Kim, D.; Lee, E.; Johnson, C. S. Sodium-ion batteries. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 947–958. Wang, L.; Lu, Y. H.; Liu, J.; Xu, M. W.; Cheng, J. G.; Zhang, D. W.; Goodenough, J. B. A superior low-cost cathode for a Na-ion battery. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 1964–1967. Li, Y. M.; Xu, S. Y.; Wu, X. Y.; Yu, J. Z.; Wang, Y. S.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, L. Q.; Huang, X. J. Amorphous monodispersed hard carbon micro-spherules derived from biomass as a high performance negative electrode material for sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 71–77. Chen, S. Q.; Wu, C.; Shen, L. F.; Zhu, C. B; Huang, Y. Y; Xi, K.; Maier, J.; Yu, Y. Challenges and perspectives for NASICON-type electrode materials for advanced sodium-ion batteries. Adv. Mater. 2017, 1700431. Ong, S. P.; Chevrier, V. L.; Hautier, G.; Jain, A.; Moore, C.; Kim, S.; Ma, X. H.; Ceder, G. Voltage, stability and diffusion barrier differences between sodium-ion and lithium-ion intercalation materials. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3680–3688. Hou, H. S.; Yang, Y. C.; Zhu, Y. R.; Jing, M. J.; Pan, C. C.; Fang, L. B.; Song, W. X.; Yang, X. M.; Ji, X. B. An electrochemical study of Sb/acetylene black composite as anode for sodium-ion batteries. Electrochim. Acta 2014, 146, 328–334. Pan, H. L.; Hu, Y. S.; Chen, L. Q. Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2338–2360. Hong, S. Y.; Kim, Y.; Park, Y.; Choi, A.; Choi, N. S.; Lee, K. T. Charge carriers in rechargeable batteries: Na ions vs. Li ions. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2067–2081. Kim, S. W.; Seo, D. H.; Ma, X. H.; Ceder, G.; Kang, K. Electrode materials for rechargeable sodium-ion batteries: Potential alternatives to current lithium-ion batteries. Adv. Energy Mater. 2012, 2, 710–721. Stevens, D. A.; Dahn, J. R. High capacity anode materials for rechargeable sodium-ion batteries. J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 1271–1273. Komaba, S.; Murata, W.; Ishikawa, T.; Yabuuchi, N.; Ozeki, T.; Nakayama, T.; Ogata, A.; Gotoh, K.; Fujiwara, K. Electrochemical Na insertion and solid electrolyte interphase for hard-carbon electrodes and application to Na-ion batteries. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3859–3867. Su, D. W.; Ahn, H. J.; Wang, G. X. SnO2@graphene nanocomposites as anode materials for Na-ion batteries with superior electrochemical performance. Chem. Commun. 2013, 49, 3131–3133. Lan, Y.; Gao, X. P.; Zhu, H. Y.; Zheng, Z. F.; Yan, T. Y.; Wu, F.; Ringer, S. P.; Song, D. Y. Titanate nanotubes and nanorods prepared from rutile powder. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1310–1318. Yan, B.; Li, X. F.; Bai, Z. M.; Lin, L. X.; Chen, G.; Song, X. S.; Xiong, D. B.; Li, D. J.; Sun, X. L. Superior sodium storage of novel VO2 nano-microspheres encapsulated into crumpled reduced graphene oxide. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 4850–4860. Fan, L. L.; Li, X. F.; Yan, B.; Feng, J. M.; Xiong, D. B.; Li, D. J.; Gu, L.; Wen, Y. R.; Lawes, S.; Sun, X. L. Controlled SnO2 crystallinity effectively dominating sodium storage performance. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502057. Kim, Y.; Park, Y.; Choi, A.; Choi, N. S.; Kim, J.; Lee, J.; Ryu, J. H.; Oh, S. M.; Lee, K. T. An amorphous red phosphorus/carbon composite as a promising anode material for sodium ion batteries. Adv. Mater. 2013, 25, 3045–3049. Qiu, S.; Wu, X. Y.; Xiao, L. F.; Ai, X. P.; Yang, H. X.; Cao, Y. L. Antimony nanocrystals encapsulated in carbon microspheres synthesized by a facile self-catalyzing solvothermal method for high-performance sodium-ion battery anodes. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1337–1343. Darwiche, A.; Marino, C.; Sougrati, M. T.; Fraisse, B.; Stievano, L.; Monconduit, L. Better cycling performances of bulk Sb in Na-ion batteries compared to Li-ion systems: An unexpected electrochemical mechanism. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20805–20811. Qian, J. F.; Chen, Y.; Wu, L.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X. High capacity Na-storage and superior cyclability of nanocomposite Sb/C anode for Na-ion batteries. Chem. Commun. 2012, 48, 7070–7072. Wu, L.; Hu, X. H.; Qian, J. F.; Pei, F.; Wu, F. Y.; Mao, R. J.; Ai, X. P.; Yang, H. X.; Cao, Y. L. Sb-C nanofibers with long cycle life as an anode material for high-performance sodium-ion batteries. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 323–328. Luo, W.; Zhang, P. F.; Wang, X. P.; Li, Q. D.; Dong, Y. F.; Hua, J. C.; Zhou, L.; Mai, L. Q. Antimony nanoparticles anchored in three-dimensional carbon network as promising sodium-ion battery anode. J. Power Sources 2016, 304, 340–345. Yang, C. L.; Li, W. H.; Yang, Z. Z.; Gu, L.; Yu, Y. Nanoconfined antimony in sulfur and nitrogen co-doped three-dimensionally (3D) interconnected macroporous carbon for high-performance sodium-ion batteries. Nano Energy 2015, 18, 12–19. Liang, L. Y.; Xu, Y.; Wang, C. L.; Wen, L. Y.; Fang, Y. G.; Mi, Y.; Zhou, M.; Zhao, H. P.; Lei, Y. Large-scale highly ordered Sb nanorod array anodes with high capacity and rate capability for sodium-ion batteries. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2954–2962. Hou, H. S.; Jing, M. J.; Zhang, Y.; Chen, J.; Huang, Z. D.; Ji, X. B. Cypress leaf-like Sb as anode material for highperformance sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 17549–17552. Hu, L. Y.; Zhu, X. S.; Du, Y. C.; Li, Y. F.; Zhou, X. S.; Bao, J. C. A chemically coupled antimony/multilayer graphene hybrid as a high-performance anode for sodium-ion batteries. Chem. Mater. 2015, 27, 8138–8145. Liu, Z. M.; Yu, X.-Y.; Lou, X. W.; Paik, U. Sb@C coaxial nanotubes as a superior long-life and high-rate anode for sodium ion batteries. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2314–2318. Wan, F.; Guo, J. Z.; Zhang, X. H.; Zhang, J. P.; Sun, H. Z.; Yan, Q. Y.; Han, D. X.; Niu, L.; Wu, X. L. In situ binding Sb nanospheres on graphene via oxygen bonds as superior anode for ultrafast sodium-ion batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 7790–7799. Wang, N.; Bai, Z. C.; Qian, Y. T.; Yang, J. Double-walled Sb@TiO2–x nanotubes as a superior high-rate and ultralong-lifespan anode material for Na-ion and Li-ion batteries. Adv. Mater. 2016, 28, 4126–4133. Ferrari, A. C.; Meyer, J. C.; Scardaci, V.; Casiraghi, C.; Lazzeri, M.; Mauri, F.; Piscanec, S.; Jiang, D.; Novoselov, K. S.; Roth, S. et al. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 187401. Chen, H. Q.; Müller, M. B.; Gilmore, K. J.; Wallace, G. G.; Li, D. Mechanically strong, electrically conductive, and biocompatible graphene paper. Adv. Mater. 2008, 20, 3557–3561. Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Dommett, G. H. B.; Kohlhaas, K. M.; Zimney, E. J.; Stach, E. A.; Piner, R. D.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Graphene-based composite materials. Nature 2006, 442, 282–286. Yi, Y.; Shim, H.-W.; Seo, S.-D.; Dar, M. A.; Kim, D.-W. Enhanced Li- and Na-storage in Sb-graphene nanocomposite anodes. Mater. Res. Bull. 2016, 76, 338–343. Lü, H. Y.; Wan, F.; Jiang, L. H.; Wang, G.; Wu, X. L. Graphene nanosheets suppress the growth of Sb nanoparticles in an Sb/C nanocomposite to achieve fast Na storage. Part. Part. Syst. Charact. 2016, 33, 204–211. Xin, X.; Zhou, X. F.; Wang, F.; Yao, X. Y.; Xu, X. X.; Zhu, Y. M.; Liu, Z. P. A 3D porous architecture of Si/graphene nanocomposite as high-performance anode materials for Li-ion batteries. J. Mater. Chem. 2012, 22, 7724–7730. Nithya, C.; Gopukumar, S. rGO/nano Sb composite: A high performance anode material for Na+ ion batteries and evidence for the formation of nanoribbons from the nano rGO sheet during galvanostatic cycling. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 10516–10525. Hummers, W. S.; Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339. Liu, X. W.; Zhong, X. W.; Yang, Z. Z.; Pan, F. S.; Gu, L.; Yu, Y. Gram-scale synthesis of graphene-mesoporous SnO2 composite as anode for lithium-ion batteries. Electrochim. Acta 2015, 152, 178–186. Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y. Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 2007, 45, 1558–1565. Zhang, N.; Liu, Y. C.; Lu, Y. Y.; Han, X. P.; Cheng, F. Y.; Chen, J. Spherical nano-Sb@C composite as a high-rate and ultra-stable anode material for sodium-ion batteries. Nano Res. 2015, 8, 3384–3393. Hou, H. S.; Jing, M. J.; Yang, Y. C.; Zhang, Y.; Song, W. X.; Yang, X. M.; Chen, J.; Chen, Q. Y.; Ji, X. B. Antimony nanoparticles anchored on interconnected carbon nanofibers networks as advanced anode material for sodium-ion batteries. J. Power Sources 2015, 284, 227–235. Zhao, Y.; Li, X. F.; Yan, B.; Li, D. J.; Lawes, S.; Sun, X. L. Significant impact of 2D graphene nanosheets on large volume change tin-based anodes in lithium-ion batteries: A review. J. Power Sources 2015, 274, 869–884.