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硫摻雜富氮碳納米片用作高性能鈉電負極材料

發布者：低維材料發布時間：2017-01-03 10:10:21 訪問次數：639

圖1：硫摻雜的示意圖

　　碳基材料由于資源豐富、價格低廉同時又環境友好被視為最具發展潛力的鈉離子電池負極材料，硬碳、炭黑、碳纖維、石墨烯等相繼見諸報端。不幸的是，大多數碳材料在不同程度上存在首次庫倫效率低和循環性能差的問題，而雜環原子(例如B,N,S,P)的摻雜可改善上述問題，因為它能提高導電性，同時又能引入結合鈉離子的活性位點，氮摻雜的碳基材料被廣泛研究并在作為鈉電負極時展現出重大進步。

　　與氮相比，硫擁有更大的原子尺寸和更小的電負性，摻雜時更有利于增大層間距、引入活性位點、增強碳基材料的電學性能。從雙元素摻雜的協同效應的角度來看，N/S共摻雜是實現高導電性和擴大層間距的有效方式。但是，通常用含硫的前驅體作為硫源，僅能通過擴大層間距來提高鈉的嵌入，不能提供額外的的法拉第反應來進一步提高儲鈉容量。

　　為解決此類問題，南開大學周震教授團隊采用了一種完全不同的方式進行硫摻雜——在H2S氣氛下熱處理富氮碳納米片。

　　圖2：氮硫摻雜對碳材料層間距的影響

　　該方式利用氣-固反應直接將吡咯N取代為S，通過形成-C-S-C-鍵的形成來提高S的利用率(如圖1所示)，增大層間距的同時(圖2)提供更多的活性位點來滿足高度可逆的儲鈉反應，因此該氮硫共摻雜的多孔碳納米片(S-N/C)用作鈉電負極時展現出高容量和優異的倍率性能。

　　圖3：S-N/C電化學性能

　　從S-N/C的CV中可以看出，與N/C相比，S-N/C在1.05V有一個還原峰，對應Na+與連結在碳基底上的S之間的反應，在1.8V有一個氧化峰，表明S-N/C的部分容量是由Na+與 S之間的法拉第反應貢獻。在50mA/g的電流密度下，穩定容量可保持在350mAh/g左右，即使電流密度提高到10A/g，容量仍可維持在110mAh/g左右，展現出優異的倍率性能。

來源：低維材料

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