石墨烯電池原理：石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結構，性能優(yōu)異的鈉離子電池陽(yáng)極材料

　　【引言】

　　鋰離子電池已在便攜式設備和電動(dòng)汽車(chē)上得到廣泛應用，并在大規模儲能領(lǐng)域扮演著(zhù)重要角色。然而，由于地殼中鋰資源的匱乏和分布不均勻，急需尋找新型的儲能材料作為鋰離子電池的補充和替代品。相比較于鋰，鈉表現出類(lèi)似的電化學(xué)性質(zhì)，并在地殼中具有豐富的自然資源；這些優(yōu)勢使鈉離子電池（SIBs）成為非常有潛力的儲能材料之一。目前，許多研究者對于鈉離子電池電極材料進(jìn)行了相關(guān)探索，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足陽(yáng)極材料關(guān)于低價(jià)格、高容量和長(cháng)循環(huán)的要求。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　為了獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的鈉離子電池陽(yáng)極材料，來(lái)自華南理工大學(xué)楊成浩教授和南卡羅來(lái)納大學(xué)Kevin Huang教授課題組近日在A(yíng)dvanced FuncTIonal Materials上發(fā)表了題為A New rGO-Overcoated Sb2Se3 Nanorods Anode for Na+ Battery： In Situ X-Ray DiffracTIon Study on a Live SodiaTIon/DesodiaTIon Process的文章，并被評為Back Inside Cover封面文章。在該文章中，通過(guò)簡(jiǎn)便的一步溶劑熱法合成了石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結構，并將此復合物作為鈉離子電池陽(yáng)極材料。通過(guò)原位X射線(xiàn)衍射研究發(fā)現，在Sb2Se3充放電過(guò)程中發(fā)生了脫嵌反應、轉化反應和合金反應，并提供相當高的理論質(zhì)量比容量。但是，在充放電過(guò)程中會(huì )經(jīng)歷體積膨脹和收縮，甚至造成活性材料的脫落，導致較低的電子傳導率和較差的循環(huán)穩定性。最有效的緩解方法是將Sb2Se3置入碳基底材料中作為體積緩沖器來(lái)抑制體積膨脹和改善導電率。由于還原氧化石墨烯（rGO）具有較大的比表面積，優(yōu)異的電子傳導性和良好的熱穩定性等特點(diǎn)， rGO被認為是Sb2Se3最理想的碳材料基底。

　　【圖文導讀】

　　圖1. Sb2Se3/rGO復合物作為SIBs陽(yáng)極材料的物理表征

　?。ˋ）是X射線(xiàn)衍射圖，（B）是拉曼圖譜，（C）是熱重圖譜；（D-F）是X射線(xiàn)光電子能譜。

　　圖2. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的形貌結構表征圖

　?。ˋ-C）分別是純相Sb2Se3的TEM、HRTEM和SAED圖，（D-G）分別是Sb2Se3/rGO復合物的TEM、HRTEM、SAED和EDX mappings圖。

　　圖3. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的電化學(xué)性能表征圖

　?。ˋ-B）分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 mV s-1掃描速率下前五次循環(huán)伏安測試圖。

　?。–-D）分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在0.1 A g-1倍率下前五次的充放電測試圖。

　?。‥-G）分別是Sb2Se3和Sb2Se3/rGO在不同倍率、0.1 A g-1和1.0 A g-1下的長(cháng)期循環(huán)測試圖。

　　圖4.充放電過(guò)程中結構變化及原理示意圖

　?。ˋ）Sb2Se3/rGO電極首次充放電過(guò)程中的原位XRD衍射二維輪廓圖。

　?。˙）Sb2Se3/rGO電極在特定2θ角度下該區域原位XRD衍射圖。

　?。–）Sb2Se3/rGO復合物的儲鈉反應機理示意圖。

　　圖5. Sb2Se3/rGO電極在首次充放電過(guò)程中不同截止電壓下的微觀(guān)結構圖

　?。ˋ-B）分別是Sb2Se3/rGO 在首次放電過(guò)程中截止電壓為0.8V和0.01V的TEM/HRTEM圖和相對應 SAED圖。

　?。ˋ-B）分別是Sb2Se3/rGO 在首次充電過(guò)程中截止電壓為1.5V和3.0V的TEM/HRTEM圖和相對應 SAED圖。

　　圖6. Sb2Se3/rGO電極長(cháng)期循環(huán)過(guò)程示意圖

　　【小結】

　　通過(guò)改善電傳導性和緩解嚴重的體積變化，多維納米結構的Sb2Se3/rGO復合材料獲得優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。在0.1、1.0和2.0 A g-1不同的倍率下，分別取得682、448和386mAh g-1的可逆質(zhì)量比容量；特別是在1.0 A g-1大倍率下循環(huán)500圈后，仍然能得到417 mAh g-1的可逆比容量，保持率高達90.2%。通過(guò)全面有效的對反應機理進(jìn)行分析，特殊的多維納米結構使Sb2Se3和rGO發(fā)揮了協(xié)同作用，對開(kāi)發(fā)儲鈉性能優(yōu)異的電極材料提供了新的研究思路和理論支持。