【研究背景】

為了滿足持續(xù)增長的能源儲(chǔ)存需要，人們對(duì)具有高能量和功率密度、低成本以及環(huán)境友好型的新材料具有很高的研究熱情。在眾多的替代材料中，金屬錫及錫基材料是最具潛力的鋰電負(fù)極材料之一，其理論容量達(dá)到944 mAh g-1。然而，錫材料的缺陷也很明顯，比如超過300%的強(qiáng)烈的體積膨脹，結(jié)塊，嵌鋰脫鋰過程中較差的導(dǎo)電性，伴隨著極化、粉末化以及電極材料的迅速塌陷等問題，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生大幅度的容量衰減。為了提升錫基材料的性能有許多可借鑒的策略，如制備錫顆粒的納米晶體，與其他過渡金屬合金化以及制備錫/碳復(fù)合物。其中，錫基材料與碳材料復(fù)合因?yàn)榭梢韵拗企w積變化以及改善的導(dǎo)電性是比較切實(shí)可行的選擇。

【成果簡介】

最近，中南大學(xué)鄭俊超教授課題組在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nano Energy?上發(fā)表論文，題目為Synthesis of sandwich-like structured Sn/SnOx @MXene composite through in-situ growth for highly reversible lithium storage。報(bào)道了一種通過簡易的靜電吸引與液相還原的方式在二維MXene (Ti3C2Tx)層間原位生長Sn/SnOx納米顆粒的復(fù)合物，物理表征表明Sn/SnOx納米顆粒均勻地分布在MXene層間，形成一種三明治結(jié)構(gòu)。MXene的多層結(jié)構(gòu)有效地限制了Sn/SnOx顆粒的體積膨脹與結(jié)塊，加速了鋰離子和電子的轉(zhuǎn)移。與此同時(shí)還有效限制了在鋰離子嵌入脫出過程中納米片的重新堆積，在200次充放電循環(huán)后具有594.2mAh g-1的可逆容量。二者的協(xié)同效應(yīng)使復(fù)合物具有杰出的電化學(xué)性能。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.?Sn/SnOx@Ti3C2合成路線以及原位還原生長機(jī)制。

圖2.?Sn/SnOx, Ti3C2, Sn/SnOx@Ti3C2的XRD和拉曼圖譜。

圖3.?Sn/SnOx?,Ti3C2, Sn/SnOx@Ti3C2的SEM圖像；Sn/SnOx@Ti3C2的元素分布；Sn/SnOx@Ti3C2的TEM, HRTEM?和傅里葉變換后的圖像。

反應(yīng)方程式：

SnO2?+4Li++4e-?→ Sn +2Li2O

SnO+2Li?++2e-→ Sn +Li2O

Sn+ xLi++xe-? LixSn

Ti3C2+xLi++xe-?? LixTi3C2

圖4.Sn/SnOx?, Ti3C2, Sn/SnOx@Ti3C2的XPS圖譜；?Ti3C2和Sn/SnOx@Ti3C2?的Ti 2p, O 1s以及Sn 3d分峰情況。

圖5.Sn/SnOx?, Ti3C2, Sn/SnOx@Ti3C2的電化學(xué)性能測試。

圖6.Sn/SnOx?, Ti3C2, Sn/SnOx@Ti3C2的電化學(xué)性能測試。

圖7.Sn/SnOx,與Sn/SnOx@Ti3C2電極100次充放電循環(huán)前后的對(duì)比SEM。

【本文總結(jié)】

? ? ?本研究通過簡單的靜電吸附和液相還原在MXene納米片層間原位生長Sn/SnOx納米顆粒，二者的協(xié)同效應(yīng)極大程度的提升了電化學(xué)反應(yīng)中的導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及離子的擴(kuò)散，綜合了二者的優(yōu)勢。一方面，MXene納米片作為一種導(dǎo)電骨架，可以加速電子與離子的轉(zhuǎn)移的同時(shí)，可以防止Sn/SnOx納米顆粒的聚集和體積膨脹。另一方面，Sn/SnOx納米顆粒在鋰離子的嵌入和脫出過程可以有效減弱MXene納米片的重堆積。復(fù)合電極具有超高的倍率性能與循環(huán)性能，是下一代鋰離子電池的最有潛力的負(fù)極材料。

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