DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.086
Sn@石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料因其固有的高容量而引起了人们的广泛关注。另一方面,高原子比(Li4.4Sn)导致电极在循环过程中粉化。因此,通过设计材料的结构来抑制粉化是提高循环性能的关键。静电纺丝、软/硬纳米模板策略、表面改性、多步化学气相沉积(CVD)等纳米技术的应用在这方面显示出巨大的优势。这些策略通常用于在石墨烯基体中均匀分散Sn纳米材料或在材料内部形成空隙以获得机械缓冲效果。然而,这些过程能耗巨大,操作复杂。
为了解决上述问题,本报告提出了采用自下而上的策略以制备复合材料的新纳米技术(有机分子限制反应(OMCR))。通过低能纳米乳化和光聚合法合成了3D有机纳米骨架作为石墨烯前体。在水热反应中原位形成了SnO2纳米粒子@3D有机纳米骨架作为复合材料的前驱体。在煅烧氧化还原过程后,通过3D有机纳米骨架的原位图案化和限制效应,将具有纳米空隙(约100nm,均匀大小)的Sn纳米粒子均匀分散在石墨烯纳米片的二维层状基质(2DLMG)中。电化学测试结果表明,复合材料的粉化和裂纹得到了有效的抑制。Sn纳米粒子@2DLMG不仅在200次循环期间提供了高循环性能,而且还在低负载Sn(19.58wt%)下首次实现了高比容量(539 mAh g-1)。
图1.通过有机分子限制反应合成Sn纳米粒子@2DLMG复合材料的整个过程。
图2.由XRD图谱表征从SnO2纳米粒子@3D有机纳米骨架到Sn纳米粒子@2DLMG的晶体结构演变。
图3.通过SEM表征Sn纳米粒子@2DLMG复合材料的形貌:(A,B,C)平面图和(D)横截面。
图4.Sn纳米粒子@2DLMG复合材料的形貌。(A)低倍率HAADF-STEM图像,(B-D)高倍率STEM,(E,F)分别为Sn和C的元素EDS映射,(G)高倍率STEM图像,(H)对应的SAED图谱。
图5.(A)分别为Sn纳米粒子@2DLMG的二次电子-(SE-),(B)ABF-和(C)HAADF-STEM图像。
图6.在单个Sn纳米粒子@2DLMG中,Sn和C的元素EDS映射。
图7.Sn纳米粒子@2DLMG纳米复合材料的电化学性能。(A)以0.1 mV s-1的扫描速率获取的循环伏安图;(B)在100 mA g-1和200 mA g-1下测试的循环性能;(C)在100 mA g-1的电流密度下测试的恒电流放电/充电曲线;(D)在100 mA g-1、200 mA g-1、500 mA g-1、1 A g-1和5 A g-1下测试的倍率性能和循环性能。
图8.(A)在0.1-1 mV s-1的不同扫描速率下的CV曲线,(B)在不同扫描速率下电容和扩散控制电荷的贡献率,(C)在0.3 mV s-1下总电流和电容性电流的分离,(D)在100 mAh g-1下进行循环和第二次循环之前,使用Sn纳米粒子@2DLMG的电池的EIS光谱。
图9.Sn/碳复合材料的电化学性能比较。
图10.在第20次循环期间,使用LiFePO4作为阴极和Sn纳米粒子@2DLMG的全电池的充电/放电曲线。