一种简便的合成方法,用于制备用于高性能钠离子电池阳极的MnS/NC亚微球

《Materials Research Bulletin》:A facile synthetic strategy to MnS/NC submicrospheres for high-performance sodium-ion battery anodes

【字体: 时间:2025年10月31日 来源:Materials Research Bulletin 5.7

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  氮掺杂碳包覆硫化锰亚微米颗粒通过水热氧化聚合及碳热还原硫化工艺制备,作为钠离子电池阳极在5 A g?1电流密度下循环2000次后容量保持率优异。其独特三维多孔结构实现活性物质稳定分散,碳骨架促进离子/电子传输并抑制体积膨胀。

  
罗婷|林思思|张超|马向东|李叶玲|李晓康| Mou Jirong|吴超|孙志|孟俊霞|袁菊君
赣南师范大学化学与材料学院,中国赣州 341000

摘要

通过简单的水热法制备了MnS/氮掺杂碳(NC)亚微球,随后进行氧化聚合和碳热还原/硫化处理。作为钠离子电池(SIB)的负极材料,这些MnS/NC亚微球表现出优异的循环稳定性,在5 A g?1的电流密度下,2000次循环后仍能保持167 mAh g?1的可逆容量。MnS/NC杂化材料卓越的电化学性能归因于其独特的结构配置。主要原因是MnS纳米晶体被封装在多孔的氮掺杂碳框架中,有效防止了颗粒团聚,加速了电荷载流子的传输,并保证了足够的电解质渗透。此外,导电的碳基质提供了丰富的电活性中心,显著改善了离子/电子传导路径。

引言

为应对全球能源需求的空前增长和日益严峻的环境压力,改进下一代电化学储能技术成为一项重要任务[[1], [2], [3], [4], [5]]。自20世纪90年代以来,锂离子电池已广泛应用于新能源汽车和便携式电子设备[6,7]。然而,锂资源的地理分布不均和有限的储量限制了其大规模储能应用,因此研究重点转向了钠离子电池(SIB)系统[[8], [9], [10]]。钠与锂具有类似的碱金属特性和化学性质/插层机制,其地壳丰度是锂的420倍(2.64%),大大降低了原材料成本。然而,钠的离子尺寸(1.02 ?)远大于锂(0.76 ?),导致扩散动力学缓慢和电极体积膨胀。因此,开发兼具结构耐久性和快速离子传输能力的电极对于推进SIB的商业化至关重要[[11], [12], [13]]。
过渡金属硫化物(如MnS、FeS、CoS?、MoS?、ZnS)[[14], [15], [16], [17], [18]]因其高理论容量、合适的操作电压窗口和资源可持续性而成为SIB负极材料的理想候选者。特别是基于Mn的硫化物因其显著的理论容量、环境友好性和低成本而受到广泛关注[[19], [20], [21], [22], [23], [24]]。然而,基于Mn的硫化物在循环条件下仍面临与其他过渡金属硫化物相同的挑战,例如严重的体积变化和缓慢的反应动力学[[25], [26], [27], [28]]。这些问题会导致电极材料极化并导致容量显著衰减。一种有效的策略是构建基于Mn的硫化物/C纳米复合材料,以帮助这些材料适应体积变化,并在充放电循环过程中增强电子/离子导电性。例如,孙等人通过便捷的一步溶热法制备了中空的MnS/CNTs杂化材料[29]。这种中空MnS/CNTs电极在200次循环后仍保持136 mAh/g的比容量。袁等人采用锰配位纳米线和GO作为前驱材料,通过简单且可扩展的方法制备了MnS纳米晶体嵌入碳纳米线/RGO(MnS@CNWs/RGO)复合材料[30]。MnS@CNWs/RGO复合材料在10000次循环后仍保持150 mAh/g的稳定容量。崔等人还制备了纳米MnS@N,P-LPC复合材料,其中MnS立方体嵌入由褐煤衍生的N、P共掺杂的多孔碳中[31]。得益于其独特的结构,纳米MnS@N,P-LPC电极在1500次循环后仍能达到392.5 mAh g?1的比容量。基于MnS/C纳米复合材料的循环性能观察,合理的结构工程已被证明能有效提高其钠存储能力。特别是,这些复合材料的三维多孔结构具有多重优势:防止活性材料团聚和破碎,改善电荷传输动力学,并扩大电极-电解质界面接触面积。因此,通过简单合成方法研究新型三维MnS/C杂化材料是提升其SIB负极性能的有前景策略[[32], [33], [34]]。
在这里,我们首次通过简单的水热法制备了MnS/NC亚微球,随后进行氧化聚合和碳热还原/硫化处理。作为SIB负极材料,这些MnS/NC亚微球在2000次循环后仍能保持167 mAh g?1的可逆容量。MnS/NC亚微球卓越的电化学性能源于其独特的结构,这不仅提高了电极的耐久性,还促进了高效的电荷传输。

部分摘录

NC前驱体的合成

材料合成过程首先将0.4克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和2.16克葡萄糖溶解在8毫升去离子水中,并在恒定磁力搅拌下进行。然后加入4毫升冰醋酸,充分混合后得到透明溶液。将均匀混合物密封在装有PTFE内衬的50毫升高压釜中,于200°C下保持6小时。所得材料通过离心分离后纯化。

结果与讨论

制备MnS/NC亚微球的合成过程如图1所示。首先,通过简单的水热法制备了NC前驱体纳米颗粒,使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为兼具氮掺杂和表面稳定的双功能剂。PVP的扩展聚合物结构能够有效包裹颗粒表面。同时,吸附在颗粒表面的葡萄糖作为碳前驱体。

结论

总之,我们通过结合水热处理、氧化聚合和随后的碳热还原/硫化步骤,成功合成了MnS/NC亚微球。作为SIB负极材料,该复合材料在5 A g?1的高电流密度下经过2000次循环后仍能保持167 mAh g?1的稳定比容量。其优异的电化学性能源于

作者贡献声明

罗婷:实验、软件、数据分析、初稿撰写。林思思:形式分析。张超:研究。李叶玲:研究。马向东:数据管理、软件。李晓康:验证、方法学。Mou Jirong:撰写-审稿与编辑。孙志:形式分析。吴超:研究。孟俊霞:验证、方法学。袁菊君:撰写-审稿与编辑、方法学。

CRediT作者贡献声明

罗婷:数据管理、资源获取、初稿撰写。林思思:形式分析。张超:研究。马向东:数据管理。李叶玲:研究。李晓康:方法学、验证。Mou Jirong:撰写-审稿。吴超:研究。孙志:形式分析。孟俊霞:方法学、验证。袁菊君:方法学、撰写-审稿。

利益冲突声明

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致谢

江西省自然科学基金(20224BAB204024)、江西省教育厅基金(GJJ2201207、GJJ2201248)、赣州市重点科技研发计划(2023PCG16790)、赣鄱俊才支持计划(20232BCJ25020)以及江西省高层次创新创业人才项目(xsq2023102011)。
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