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中南大学:石墨烯助力增强快速储钠性能
2020.10.22   点击142次
【导读】本文通过构建GeS与石墨烯之间的异质结结构,大大提高了材料的储钠性能。基于能带理论,对不同界面结构与倍率性能之间的关系进行了深入分析,加深了人们对活性材料与炭材料之间的异质结结构的认识,为后续的电极材料的研究设计提供了理论指导。

钠离子电池(SIBs)凭借更低的成本,俨然成为最有希望替代锂离子电池的新型储能设备。但是钠离子电池同样也在电极材料方面陷入了瓶颈,如何更高效的释放电极材料的潜力已成为SIBs走向商业化应用的关键问题。

近日,中南大学的张佳峰教授及其团队基于能带理论,对于活性物质与炭材料之间的分层诱导结构进行了深入探索,证明金属与炭之间的键对材料良好储钠性能的关键作用。相关论文以题为“Enhancing the Rapid Na+-Storage Performance via Electron/Ion Bridges through GeS2/Graphene Heterojunction”在 ACS nano上发表。

不同于其他通过设计新型材料或电池系统获取高能量密度的方法,SIBs目前急需最大限度的开发电极材料的潜力。自1960年费米阐明界面/表面对材料性能的巨大影响,界面效应一直被认为是提升材料性能的有效手段。目前电池材料中关于界面已经有不少学者进行了研究,但主要集中于活性材料与基体界面上的电导率研究,界面上更深层次的电子/离子之间的相互作用还缺乏进一步的研究开发。因此,全面了解界面上的储能机理仍然是碱金属电池尤其是SIBs迫切需要解决的问题。

本文作者针对这一问题,以GeS2和石墨烯作为研究对象,对GeS2/C复合相、C-S键和C-Ge键三种接触模式与无功电势和极化电势之间的关系进行了分析讨论。并依此设计出了多级的GeS2/3DG复合材料,GeS2纳米颗粒均匀的被石墨烯均匀的包覆。在界面上精心设计的C-Ge键所形成的GeS2/石墨烯异质结结构,可以通过减少电子聚集极化很好的提升电子转移效率。此外,石墨烯中的缺陷可以减轻离子浓度引起的极化,为钠离子输送提供额外的离子通道。这些效应最终导致所制备的GeS2/3DG电极的储钠性能远高于单纯GeS2/rGO复合材料。

图1 GeS2/C复合相、C-S键和C-Ge键三种模型在SIBs中的电子/离子转移示意图

图2 GeS2/3DG的制备示意图和电镜表征分析

图3 样品的结构和化学状态分析

图4 样品的反应动力学分析和赝电容贡献比例计算

图5 充放电过程中的结构变化表征

图6 样品储钠性能测试

总的来说,作者发现石墨烯不仅仅是以C-Ge键作为活性位点,还为GeS2提供了一个额外的离子传输通道。而C-Ge键的电子转移效率的提高同样不同于掺杂,而是通过降低极化效应获得。上述结果均表明,石墨烯缺陷在电极材料中的作用需要重新评估和进一步研究。该研究加深了电极材料上异质结结构的研究,为更好的挖掘电极材料的潜力提供了新的思路。

中国科学院上海硅酸盐研究所
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