锡基石墨烯纳米复合物在钠离子电池负极方面的应用

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自索尼公司推出首款以钴酸锂和石墨作为正负极的商业化锂离子电池之后,锂离子电池成为移动设备电源的最佳选择。但是,考虑到锂资源的储量有限且分布不均,金属锂的价格会越来越高,从而影响未来的锂电产业。由此,室温钠离子电池再次在全球吸引了众多专家学者的目光,因为钠的地壳丰度极高且分布广泛。为了发展高性能钠离子储能体系,许多锂电负极材料被尝试应用于钠离子电池。然而,由于钠离子同锂离子相比有较大的离子半径和较低的理论比容量,寻找合适的钠离子电池负极材料具有更大的挑战性。本文采用原位溶剂热方法和氢氩气氛高温还原法制备了一系列锡基石墨烯纳米复合物材料。在实验初期,石墨烯负载纳米二氧化锡复合物材料(SnO2@rGO)被成功制备出来并进行了结构表征。之后,系统地研究了该复合物的电化学性能,不错的循环稳定性表明石墨烯很好地抑制了二氧化锡在嵌钠过程中的体积膨胀效应。在上述实验结果的基础上,通过原位溶剂热、冷冻干燥和煅烧三步串联的办法,自组装制备了石墨烯负载锡铜纳米颗粒复合物(SnCu@GS)。在溶剂热反应中,石墨烯构建了一个三维多孔导电网络,且有效地将平均直径约70 nm的铜修饰锡纳米颗粒分散在片层上。相比之下,采用相同制备方法无石墨烯导电网络支撑的锡铜颗粒的粒径差异较大,粒径分布从200 nm到4μm不等。进一步测试了石墨烯负载纳米锡铜颗粒复合物材料作为钠离子电池负极的电化学性能。数据表明复合物具有不错的循环稳定性和倍率性能。SnCu@GS电极在100 mA g-1的电流密度下循环50次依然保有310 mA h g-1的可逆比容量。在接下来的章节中,采用可控原位溶剂热方法并结合热力学还原过程制备了一种自支撑无粘结剂石墨烯包覆纳米锡薄膜(Sn@GS)。氧化石墨烯,构建石墨烯导电网络的前驱体,还能够替代表面活性剂防止溶剂热中生成的纳米颗粒团聚形成二次颗粒。据此,实验成功制备了石墨烯片上均匀分布的直径在10 nm的锡纳米颗粒。Sn@GS薄膜,当作为负极应用于钠离子电池时,展现出良好的电化学性能。我们相信该方法不仅给出了一个合成Sn@GS纳米复合物薄膜的新途径,同样可以用于开发其他自支撑石墨烯负载的非贵金属(或合金)纳米颗粒复合物薄膜并在催化、检测等诸多领域广泛应用。
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