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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 1197-1204    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201703293
研究论文     
多壁纳米碳管约束二硫化锡作为锂离子电池负极的电化学行为
谷泽宇1, 高嵩1, 黄昊1, 靳晓哲1, 吴爱民1, 曹国忠1,2
1 大连理工大学材料科学与工程学院, 三束材料改性教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024;
2 华盛顿大学材料科学与工程学院, 西雅图, 华盛顿州 98195, 美国
Electrochemical Behavior of MWCNT-Constraint SnS2 Nanostructure as the Anode for Lithium-Ion Batteries
GU Ze-Yu1, GAO Song1,HUANG Hao1, JIN Xiao-Zhe1, WU Ai-Min1, CAO Guo-Zhong1,2
1 Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams(Ministry of Education), School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, P. R. China;
2 Department of Materials Science and Engineering, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA
 全文: PDF(3163 KB)   输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

通过两步法制备多壁纳米碳管约束SnS2纳米材料(SnS2@MWCNT)。采用直流电弧等离子体法在甲烷气氛下制备多壁纳米碳管约束金属锡纳米结构(Sn@MWCNT)作为前驱体,再通过硫化反应获得SnS2@MWCNT纳米结构。对材料进行Raman、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等物理表征的结果显示多壁纳米碳管长约400 nm,表面碳层晶化程度良好,碳层厚度约10 nm。以SnS2@MWCNT纳米结构作为负极材料的锂离子电池显示出较为良好的电化学性能。其首次充放电库伦效率为71%,循环50次后,容量仍保持703 mAh·g-1。SnS2@MWCNT纳米结构电极的高容量特性源于多种活性物质共同提供容量,且各物质反应平台不同。平台呈现明显阶梯型,缓解了体积膨胀效应对电极材料的破坏。

关键词: 锂离子电池多壁纳米碳管二硫化锡负极纳米材料    
Abstract:

Multi-walled carbon nanotube constrained SnS2 (SnS2@MWCNT) nanostructure is successfully realized through a facile 2-step process. Firstly, DC arc-discharge method is applied to fabricate Sn@MWCNT nanoparticles as the precursor that is subsequently converted into SnS2@MWCNT through low-temperature vulcanization. Various analytical methods, including powder X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and Raman spectroscopy, are used to ascertain the microstructure and morphology of the SnS2@MWCNT nanoparticles. The results show that the SnS2@MWCNT nanoparticles have a uniform structure of SnS2 half-filled MWCNTs with average thickness of 10 nm and average length of ~400 nm. The electrochemical properties of the as-prepared SnS2@MWCNT nanoparticles are studied using the nanoparticles as anode materials in Li-ion batteries. The SnS2@MWCNT electrode presents high initial Coulombic efficiency of 71% and maintains a capacity of 703 mAh·g-1 after 50 cycles. Excellent performance of the batteries benefits from the active electrochemical reactions of various chemical components, multi-step lithiation/delithiation behaviors, and the structural constraint from the MWCNTs.

Key words: Lithium-ion battery    Multi-walled carbon Nanotube    Tin disulfide    Anode    Nanomaterial
收稿日期: 2017-01-04 出版日期: 2017-03-29
中图分类号:  O646  
基金资助:

国家科学自然基金(51171033),常州工业支撑计划(CE20160022),常州企业领军型创新人才引进培育项目(CQ20153002)及中央高校基本科研业务费重点实验室专项经费(DUT16LAB03,DUT15LAB05)资助

通讯作者: 黄昊     E-mail: huanghao@dlut.edu.cn
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谷泽宇
高嵩
黄昊
靳晓哲
吴爱民
曹国忠

引用本文:

谷泽宇, 高嵩, 黄昊, 靳晓哲, 吴爱民, 曹国忠. 多壁纳米碳管约束二硫化锡作为锂离子电池负极的电化学行为[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1197-1204.

GU Ze-Yu, GAO Song, HUANG Hao, JIN Xiao-Zhe, WU Ai-Min, CAO Guo-Zhong. Electrochemical Behavior of MWCNT-Constraint SnS2 Nanostructure as the Anode for Lithium-Ion Batteries. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(6): 1197-1204.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/Jwk_wk/wlhx/CN/10.3866/PKU.WHXB201703293        http://www.whxb.pku.edu.cn/Jwk_wk/wlhx/CN/Y2017/V33/I6/1197

(1) Liang, X.; Hart, C.; Pang, Q.; Garsuch, A.; Weiss, T.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2015, 6, 5682. doi: 10.1038/ncomms6682
(2) Manthiram, A.; Chung, S.; Zu, C. Adv. Mater. 2015, 27, 1980. doi: 10.1002/adma.201405115
(3) Yao, Z. D.; Wei, W; Wang, J. L.; Yang, J.; Nu, L. Y. N. 2011, 27.1005. [姚真东, 魏巍, 王久林, 杨军, 努丽燕娜. 物理化学学报, 2011, 27, 1005.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110345
(4) Chang, K.; Wang, Z.; Huang, G.; Li, H.; Chen, W.; Lee, J. Y. J. Power Sources 2012, 201, 259. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.10.132
(5) Chen, S. Y.; Wang, Z. X.; Fang, X. P.; Zhao, H. L.; Liu, X. J.; Chen, L.Q. 2011, 27, 97. [陈仕玉, 王兆祥, 房向鹏, 赵海雷, 刘效疆, 陈立泉. 物理化学学报, 2011, 27, 97.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110134
(6) Sun, H.; Ahmad, M.; Luo, J.; Shi, Y.; Shen, W.; Zhu, J. Mater. Res. Bull. 2014, 49, 319. doi: 10.1016/j.materresbull.2013.09.005
(7) Liu, Z.; Deng, H.; Mukherjee, P. P. ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 4000. doi: 10.1021/am5068707
(8) Bandura, A. V.; Evarestov, R. A. Surf. Sci. 2015, 641, 6. doi: 10.1016/j.susc.2015.04.027
(9) Nitta, N.; Yushin, G. Part. Part. Syst. Charact. 2014, 31, 317. doi: 10.1002/ppsc.201300231
(10) Ji, X.; Evers, S.; Black, R.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2011, 2, 325. doi: 10.1038/ncomms1293
(11) Manthiram, A.; Fu, Y.; Su, Y. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1125. doi: 10.1021/ar300179v
(12) Xiao, L.; Cao, Y.; Xiao, J.; Schwenzer, B.; Engelhard, M. H.; Saraf, L.V.; Nie, Z.; Exarhos, G. J.; Liu, J. Adv. Mater. 2012, 24, 1176. doi: 10.1002/adma.201103392
(13) Ma, G.; Wen, Z.; Jin, J.; Lu, Y.; Rui, K.; Wu, X.; Wu, M.; Zhang, J. J. Power Sources 2014, 254, 353. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.12.085
(14) Guo, J.; Xu, Y.; Wang, C. Nano Lett. 2011, 11, 4288. doi: 10.1021/nl202297p
(15) Chen, J. J.; Jia, X.; She, Q. J.; Wang, C.; Zhang, Q.; Zheng, M. S.; Dong, Q. F. Electrochim. Acta 2010, 55, 8062. doi: 10.1016/j.electacta.2010.01.069
(16) Zhang, F.; Dong, Y.; Huang, Y.; Huang, G.; Zhang, X. J. Phys. Conf. Series 2012, 339. doi:10.1088/1742-6596/339/1/012003
(17) Zhang, S.; Zhang, L.; Wang, W.; Xue, W. Synth. Met. 2010, 160, 2041. doi: 10.1016/j.synthmet.2010.07.029
(18) Liang, X.; Liu, Y.; Wen, Z.; Huang, L.; Wang, X.; Zhang, H. J. Power Sources 2011, 196, 6951. doi: 10.1016/j.jpowsour. 2010.11.132
(19) Mikhaylik, Y. V.; Akridge, J. R. J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A1969. doi: 10.1149/1.1806394
(20) Cheon, S.; Ko, K.; Cho, J.; Kim, S.; Chin, E.; Kim, H. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A796. doi: 10.1149/1.1571532
(21) Luo, W.; Huang, L.; Guan, D. D.; He, R. H.; Li, F.; Mai, L.Q. 2016, 32, 1999. [罗 雯, 黄磊, 关豆豆, 贺汝涵, 李枫, 麦立强. 物理化学学报, 2016, 32, 1999.] doi: 10.3866/PKU.WHXB 201605032
(22) Liu, C.; Huang, H.; Cao, G.; Xue, F.; Paredes Camacho, R. A.; Dong, X. Electrochim. Acta 2014, 144, 376. doi: 10.1016/j.electacta.2014.07.068
(23) Marcinek, M.; Hardwick, L. J.; Richardson, T. J.; Song, X.; Kostecki, R. J. Power Sources 2007, 173, 965. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.08.084
(24) Nichols, J.; Deck, C.; Bandaru, P.; Saito, H. J. Appl. Phys. 2007, 102, 64306. doi: 10.1063/1.2783945
(25) Kim, H. S.; Chung, Y. H.; Kang, S. H.; Sung, Y. Electrochim. Acta 2009, 54, 3606. doi: 10.1016/j.electacta.2009.01.030
(26) Jiang, X.; Yang, X.; Zhu, Y.; Shen, J.; Fan, K.; Li, C. J. Power Sources 2013, 237, 178. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.03.048
(27) Noerochim, L.; Wang, J.; Chou, S.; Li, H.; Liu, H. Electrochim. Acta 2010, 56, 314. doi: 10.1016/j.electacta.2010.08.078
(28) Zhai, C.; Du, N.; Zhang, H.; Yu, J.; Yang, D. ACS Appl. Mater. Inter. 2011, 3, 4067. doi: 10.1021/am200933m
(29) Ruffo, R.; Hong, S. S.; Chan, C. K.; Huggins, R. A.; Cui, Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 11390. doi: 10.1021/jp901594g
(30) Wang, G.; Peng, J.; Zhang, L.; Zhang, J.; Dai, B.; Zhu, M.; Xia, L.; Yu, F. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 3659. doi: 10.1039 /C4TA06384H
(31) Kim, T.; Kim, C.; Son, D.; Choi, M.; Park, B. J. Power Sources 2007, 167, 529. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.02.040
(32) Kim, H. S.; Chung, Y. H.; Kang, S. H.; Sung, Y. Electrochim. Acta 2009, 54, 3606. doi: 10.1016/j.electacta.2009.01.030
(33) Liu, J.; Wen, Y.; van Aken, P. A.; Maier, J.; Yu, Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 5259. doi: 10.1039/c5ta00431d
(34) Liu, J.; Gu, M.; Ouyang, L.; Wang, H.; Yang, L.; Zhu, M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 8052. doi: 10.1021/acsami.6b00627
(35) Huang, H.; Gao, S.; Wu, A.; Cheng, K.; Li, X.; Gao, X.; Zhao, J.; Dong, X.; Cao, G. Nano Energy 2017, 31, 74. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.10.059
(36) Li, T.; Wang, Y.; Tang, R.; Qi, Y.; Lun, N.; Bai, Y.; Fan, R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 9470. doi: 10.1021/am402205z
(37) Xia, T.; Zhang, W.; Murowchick, J.; Liu, G.; Chen, X. Nano Lett. 2013, 13, 5289. doi: 10.1021/nl402810d
(38) Liu, Y.; Yu, H.; Quan, X.; Chen, S.; Zhao, H.; Zhang, Y. Sci. Rep. 2014, 4, 6843. doi: 10.1038/srep06843

[1] 张熙悦, 黄雅兰, 吴树炜, 曾银香, 于明浩, 程发良, 卢锡洪, 童叶翔. 碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2018, 34(2): 219-226.
[2] 何磊, 徐俊敏, 王永建, 张昌锦. LiFePO4包覆的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2锂离子电池正极材料:增强的库伦效率和循环性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(8): 1605-1613.
[3] 田爱华, 魏伟, 瞿鹏, 夏修萍, 申琦. SnS2纳米花/石墨烯纳米复合物的一步法合成及其增强的锂离子存储性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(8): 1621-1627.
[4] 廖友好, 李伟善. 锂离子电池凝胶聚合物隔膜的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(8): 1533-1547.
[5] 鞠广凯, 陶占良, 陈军. α-MnO2纳米管自组装微球的可控制备及电化学性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1421-1428.
[6] 甘永平, 林沛沛, 黄辉, 夏阳, 梁初, 张俊, 王奕顺, 韩健峰, 周彩红, 张文魁. 表面活性剂对氧化铝修饰富锂锰基正极材料的影响[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1189-1196.
[7] 黄浩, 龙冉, 熊宇杰. 应用于有机加氢反应的等离激元催化材料设计[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 661-669.
[8] 赵立平, 孟未帅, 王宏宇, 齐力. 二硫化钼-碳复合材料用作钠离子电容电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 787-794.
[9] 甄绪, 郭雪静. 三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 845-852.
[10] 张彦涛, 刘圳杰, 王佳伟, 王亮, 彭章泉. 非水溶剂Li-O2电池锂负极研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(3): 486-499.
[11] 白雪君, 侯敏, 刘婵, 王彪, 曹辉, 王东. 锂离子电池用三维氧化锡/石墨烯水凝胶负极材料[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 377-385.
[12] 牛晓叶, 杜小琴, 王钦超, 吴晓京, 张昕, 周永宁. AlN-Fe纳米复合薄膜:一种新型锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2517-2522.
[13] 刘帅, 姚路, 章琴, 李路路, 胡南滔, 魏良明, 魏浩. 高性能锂硫电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2339-2358.
[14] 彭勃, 徐耀林, Fokko M. Mulder. 磷烯包覆的高性能硅基锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2017, 33(11): 2127-2132.
[15] 李万隆, 李月姣, 曹美玲, 曲薇, 屈雯洁, 陈实, 陈人杰, 吴锋. 流变相法制备海藻酸基碳包覆Li3V2(PO4)3材料的电化学性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(11): 2261-2267.