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斜方晶相Nb2O5被认为是一种潜在的钠离子电池用负极材料,因为其可以可逆的嵌入大量钠离子同时结构稳定不易破坏。但是低电导率的固有缺陷导致较低的可逆容量和较差的循环稳定性。
近日,来自中国科学技术大学的余彦教授团队采用静电雾化沉积技术(ESD)合成了一种基于Nb2O5的自支撑三维多孔Nb2O5@Carbon复合材料,用作钠离子电池负极时,显著提升了Nb2O5的循环稳定性及倍率性能。相关成果以“An Interpenetrating 3D Porous Reticular Nb2O5@Carbon Thin Film for Superior Sodium Storage”为题发表在了Nano energy上。
图1 :
(a):静电雾化沉积制备三维Nb2O5@Carbon复合材料示意图
(b):三维Nb2O5@Carbon复合材料钠离子及电子传输示意图
研究人员将草酸铌溶于水(10 vol.%)、1,2-丙二醇(40 vol.%)、甘油(40 vol.%)的混合液中,在缓慢的推力下,溶液慢慢挤出,经高电压雾化沉积在300℃的三维多孔泡沫镍集流体上,再经惰性气氛煅烧即制备了三维Nb2O5@Carbon复合材料。同时作为对比,调节前驱体液体,仅去除甘油,其余步骤一致制备了Nb2O5材料。
图2 :
(a):三维Nb2O5@Carbon复合材料XRD表征
(b):三维Nb2O5@Carbon复合材料拉曼测试
(c):三维Nb2O5@Carbon复合材料TG测试
(d):三维Nb2O5@Carbon复合材料XPS测试
图3 :
(a-c):三维Nb2O5@Carbon复合材料SEM形貌
(d):三维Nb2O5@Carbon复合材料TEM形貌
图4 :
(a):0.5C倍率下,Nb2O5@Carbon/Na半电池前三圈充放电曲线
(b):Nb2O5@Carbon/Na半电池CV测试曲线
(c):0.5C倍率下,Nb2O5@Carbon/Na半电池与Nb2O5/Na半电池循环稳定性对比
(d):Nb2O5@Carbon/Na半电池与Nb2O5/Na半电池倍率性能对比
(e):10C倍率下,Nb2O5@Carbon/Na半电池长循环测试
(f):0.5C倍率下循环500圈后,Nb2O5@Carbon形貌
图5 :
(a):Na3V2(PO4)3//Nb2O5全电池充放电机理示意图
(b):Na3V2(PO4)3//Nb2O5@Carbon全电池不同倍率下充放电曲线
(c):Na3V2(PO4)3//Nb2O5@Carbon全电池倍率测试
(d):Na3V2(PO4)3//Nb2O5@Carbon全电池循环稳定性测试
实验发现,三维Nb2O5@Carbon负极材料具有杰出的电化学性能,具体参考图4图5。研究人员认为性能的提高归因于Nb2O5与含碳基质之间的协同效应,3D多孔网状结构促进了离子/电子的扩散,同时抑制了钠离子嵌入/脱出过程中的体积变化。
参考文献:An Interpenetrating 3D Porous Reticular Nb2O5@Carbon Thin Film for Superior Sodium Storage,Nano energy,2018,DOI:10.1016/j.nanoen.2018.04.006.
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