超薄SnS2納米片嵌入氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備及其儲鋰/鈉性能研究

陶 石 ，吳大軍 ，韓志達(dá) ，錢 斌 ，江學(xué)范

（常熟理工學(xué)院 a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500）

從化石燃料到風(fēng)能、太陽能等可再生能源的轉(zhuǎn)變需要大規(guī)模的儲能裝置. 電池，尤其是鋰離子電池，在消費電子和電動汽車中的成功應(yīng)用，已成為自然選擇［1-2］. 但是，地殼中鋰的低含量以及相對苛刻的市場使人們對鋰離子電池在電網(wǎng)規(guī)模中的可用性產(chǎn)生了懷疑. 因此，鈉離子和鉀離子電池成為具有成本效益的替代品［3］. 然而，對于鈉離子電池而言，其電極主體材料非常罕見，只有少數(shù)負(fù)極材料表現(xiàn)出一定的氧化還原能力和足夠的循環(huán)能力. SnS2近年來因其較高的理論比容量引起了研究者的廣泛關(guān)注. 但是，SnS2用作電極材料時會發(fā)生大的體積膨脹，并且電子傳導(dǎo)性低，造成了電池較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能. 目前，行之有效的方法是將SnS2與導(dǎo)電碳基質(zhì)結(jié)合以緩沖體積變化并改善電子傳導(dǎo)性［4］. 而石墨烯由于具有高的導(dǎo)電性、極大的比表面積以及良好的柔韌性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于與SnS2材料復(fù)合，用來改善材料的循環(huán)性能.

如圖1所示，本文首次以SnCl4·5H2O、CH4N2S和改良的Hummers方法合成的氧化石墨烯（GO）為主要原料，通過熱分解方法制備出超薄SnS2納米片嵌入氮摻雜石墨烯復(fù)合材料［5］.

圖1 SnS2/NGS復(fù)合材料合成示意圖

從圖2（a）中，我們發(fā)現(xiàn)所制得的SnS2和SnS2/NGS復(fù)合材料的衍射峰均與PDF#23-0677標(biāo)準(zhǔn)卡片的SnS2的（100），（101），（102），（110），（111）和（103）晶格平面對應(yīng)，且沒有其他衍射峰的出現(xiàn)，表明沒有雜相存在. 圖2（b）為SnS2/NGS復(fù)合材料的SEM 圖像，從SEM圖中可以看出SnS2/NGS材料呈現(xiàn)出均勻的片狀結(jié)構(gòu)，其中二維（2D）SnS2納米晶體分布在石墨烯層中. 在圖2（c）中同樣也展示出SnS2納米片被包裹在石墨烯基質(zhì)中，并非常緊密地生長在石墨烯表面，這種形貌可以很好地利用石墨烯本身的延展性，來緩解SnS2在充放電過程中的體積變化，在SnS2/NGS納米片的HRTEM圖像圖2（d）中，晶面間距為0.59 nm，分別對應(yīng)著SnS2的（001）晶面，圖2（e）是SnS2/NGS復(fù)合材料的EDX元素分布圖，從圖中可以較為明顯地看出，復(fù)合材料中的Sn，S，C和N元素幾乎全部均勻分布，由此不僅證明了復(fù)合材料中N元素的存在，也可以證明SnS2納米片被石墨烯包裹.

我們將其作為鋰離子電池負(fù)極材料，獲得優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，見圖3（a）. 特別在8.0 A/g電流密度下，放電比容量達(dá)到488 mAh/g（遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料）. 在0.5 A/g電流密度下，循環(huán)200圈容量保持在763 mAh/g，見圖3（b）. 同時，作為鈉離子電池負(fù)極材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲鈉性能，見圖3（c）和圖3（d）. 其中，在5.0 A/g條件下可獲得364 mAh/g，0.5 A/g 條件下循環(huán)200圈，可逆容量仍保持在453 mAh/g. 以上結(jié)果為后期發(fā)展新型高性能儲能電池負(fù)極材料提供實驗探索. 相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Chemical.Communications， 2018， 54［5］.

圖 2 （a）SnS2/NGS的XRD圖 譜；（b）SnS2/NGS的SEM圖；（c） （d）SnS2/NGS的TEM圖；（e）SnS2/NGS的EDX mapping 圖譜

圖3 SnS2/NGS作為鋰離子電池負(fù)極材料 （a）倍率性能圖；（b）循環(huán)性能圖，SnS2/NGS作為鈉離子電池負(fù)極材料；（c）倍率性能圖；（d）循環(huán)性能圖