锡基合金/碳纳米纤维复合材料的制备及其储钠性能研究

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钠离子电池因钠资源丰度高,成本低廉等优势,已成为继锂离子电池后最具潜力的储能设备。但是,钠离子的半径较大,导致储钠过程中动力学缓慢。因此,亟需寻找合适的负极材料,来推动钠离子电池的商业化发展。合金类材料因具有较高的理论比容量和安全的工作电位,所以被科研者们视为理想的电极材料。然而合金类材料在充放电过程中容易出现体积膨胀和电极材料粉化等问题,导致不可逆的容量损失。因此,本文从锡基材料入手,通过简单易操作的静电纺丝技术,制备豆荚状锡基合金/氮掺杂碳纳米纤维负极膜材料。所制备的自支撑柔性膜材料可直接用作电极,无需粘结剂,提高了电池的能量密度及循环寿命。通过组装钠离子电池,测试不同合金化合物的储钠性能,并研究分析其储钠机制。主要研究内容如下:(1)通过静电纺丝技术将氯化亚锡(Sn Cl2·2H2O)、氯化钴(Co Cl2·6H2O)、空心介孔碳球(HCSs)与聚丙烯腈(PAN)溶液电纺成具有三维网络结构的膜材料。经过后续热处理技术,将锡钴合金嵌入含有空心介孔碳球的氮掺杂碳纤维内部,得到豆荚状锡钴合金/氮掺杂碳纤维(B-Sn Co/NCFs)复合材料。该复合材料中非活性金属Co可与Sn形成紧密的金属键,提高了电极的电导率,进而加速电极的反应动力。包含空心介孔碳球的氮掺杂碳基底不仅可以有效防止Sn Co合金的团聚,还增强了电极材料的柔韧性,减缓了体积效应和热效应。因此,当B-Sn Co/NCFs用作钠离子电池负极时,展示了良好的循环性能(在0.1 A g-1下,循环200圈后的可逆比容量为369.5 m Ah g-1)和倍率性能(在高电流密度1.6 A g-1时可达到243.6 m Ah g-1的比容量)。(2)采用静电纺丝技术将氯化亚锡(Sn Cl2·2H2O)、三氯化锑(Sb Cl3)、空心介孔碳球(HCSs)与聚丙烯腈(PAN)溶液电纺成具有三维网络结构的膜材料。经高温煅烧后,将锑锡合金嵌入含有空心介孔碳球的氮掺杂碳纤维内部,得到豆荚状锑锡合金/氮掺杂碳纤维(B-Sb Sn/NCFs)复合膜材料。在该材料中,Sb作为活性金属可提高电极的整体容量,且其与Sn的钠化电位不同,两种金属在充放电过程中可以交替作为体积缓冲剂。此外,独特的碳基底有助于增强电极材料的稳定性及柔性,可有效地提高电化学性能。因此,当B-Sb Sn/NCFs膜材料作为钠离子电池负极时,展示了优良的循环性能(在0.1 A g-1下,循环400圈后的可逆比容量为486.9 m Ah g-1)与倍率性能(在大电流密度1.6 A g-1下可达到388.2 m Ah g-1的比容量)。与NVOPF@3Dc组装为钠离子全电池时,B-Sb Sn/NCFs膜也表现出良好的电化学性能;组装为软包电池时具备点亮发光二极管(LEDs)的能力,充分显示了其潜在的商业前景。
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