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

　　【引言】

　　鋰離子電池已在便攜式設(shè)備和電動汽車上得到廣泛應(yīng)用，并在大規(guī)模儲能領(lǐng)域扮演著重要角色。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(xiàn)出類似的電化學性質(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行了相關(guān)探索，但仍然無法滿足陽極材料關(guān)于低價格、高容量和長循環(huán)的要求。

　　【成果簡介】

　　為了獲得電化學性能優(yōu)異的鈉離子電池陽極材料，來自華南理工大學楊成浩教授和南卡羅來納大學Kevin Huang教授課題組近日在Advanced 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，通過簡便的一步溶劑熱法合成了石墨烯包覆Sb2Se3多維納米結(jié)構(gòu)，并將此復(fù)合物作為鈉離子電池陽極材料。通過原位X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)，在Sb2Se3充放電過程中發(fā)生了脫嵌反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金反應(yīng)，并提供相當高的理論質(zhì)量比容量。但是，在充放電過程中會經(jīng)歷體積膨脹和收縮，甚至造成活性材料的脫落，導(dǎo)致較低的電子傳導(dǎo)率和較差的循環(huán)穩(wěn)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抑制體積膨脹和改善導(dǎo)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(dǎo)性和良好的熱穩(wěn)定性等特點， rGO被認為是Sb2Se3最理想的碳材料基底。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1. Sb2Se3/rGO復(fù)合物作為SIBs陽極材料的物理表征

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

　　圖2. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的形貌結(jié)構(gòu)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(fù)合物的TEM、HRTEM、SAED和EDX mappings圖。

　　圖3. Sb2Se3和Sb2Se3/rGO的電化學性能表征圖

　?。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下的長期循環(huán)測試圖。

　　圖4.充放電過程中結(jié)構(gòu)變化及原理示意圖

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

　　（B）Sb2Se3/rGO電極在特定2θ角度下該區(qū)域原位XRD衍射圖。

　?。–）Sb2Se3/rGO復(fù)合物的儲鈉反應(yīng)機理示意圖。

　　圖5. Sb2Se3/rGO電極在首次充放電過程中不同截止電壓下的微觀結(jié)構(gòu)圖

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

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

　　圖6. Sb2Se3/rGO電極長期循環(huán)過程示意圖

　　【小結(jié)】

　　通過改善電傳導(dǎo)性和緩解嚴重的體積變化，多維納米結(jié)構(gòu)的Sb2Se3/rGO復(fù)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%。通過全面有效的對反應(yīng)機理進行分析，特殊的多維納米結(jié)構(gòu)使Sb2Se3和rGO發(fā)揮了協(xié)同作用，對開發(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。