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长江大学肖围&湖南城市学院贺国文J. Alloys Compd.:封装Sn-Cu合金颗粒的碳纳米纤维及其在锂离子电池负极中的应用

学术动态    2023-01-05 10:27

DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166176

 

本研究通过静电纺丝和随后的热处理成功制备了SnCu-SiO2@CNFs复合纳米纤维,其中Sn-Cu合金颗粒在SiO2存在下均匀地限制在碳纳米纤维(CNFs)中。表征结果表明,在CNFs基体中加入SiO2可以缓解Sn-Cu合金颗粒与CNFs之间的相分离问题,提高复合电极的纤维结构完整性。重要的是,当Cu(Ac)2的含量控制在1.0mmol时,SnCu-SiO2@CNFs-1.0复合电极的电化学性能得以增强,其中电极的放电比容量不仅在100次循环后达到501.8mAh/g,而且当电流密度突然恢复到100mA/g时倍率循环后的对应值仍保持在467.4mAh/g。此外,SnCu-SiO2@CNFs-1.0电极在室温下具有约1.58×10-16cm2/s的增强Li+扩散系数和568.9Ωcm2/s0.5的高Warburg系数。增强的电化学性能部分归因于CNFs基体对Sn-Cu合金颗粒的完全封装,部分归因于整体电子电导率的提高。此外,柔性导电CNFs基体和稳定的Cu6Sn5相可以共同适应充电/放电过程中电极的体积变化。因此,将Sn-Cu合金颗粒封装到CNFs中的简便策略有望为储能用合金负极提供一些前瞻性指导。

 

图1.SnCu-SiO2@CNFs的制备过程示意图

 

图2.SnCu@CNFs(a,b)、SnCu-SiO2@CNFs-0.5(c,d)、SnCu-SiO2@CNFs-1.0(e,f)和SnCu-SiO2@CNFs-1.5(g,h)复合纳米纤维的SEM图像,SnCu-SiO2@CNFs-1.0复合纳米纤维中C、N、O、Cu、Sn和Si元素的EDS映射图像(i)

 

图3.碳化过程中SiO2对所制备复合纳米纤维的抑制效果对比图

 

图4.SnCu@CNFs、SnCu-SiO2@CNFs-0.5、SnCu-SiO2@CNFs-1.0和SnCu-SiO2@CNFs-1.5复合纳米纤维的XRD图谱(a);CNFs、SnCu@CNFs和SnCu-SiO2@CNFs-1.0复合纳米纤维的拉曼光谱(b)

 

图5.SnCu-SiO2@CNFs-1.0复合纳米纤维的XPS全扫描光谱(a),以及Sn3d(b)、Cu2p(c)、O1s(d)、Si2p(e)、C1s(f)和N1s(g)的高分辨率光谱

 

图6.SnCu@CNFs、SnCu-SiO2@CNFs-0.5、SnCu-SiO2@CNFs-1.0和SnCu-SiO2@CNFs-1.5电极在100mA/g下循环100次的循环性能(a);SnCu@CNFs和SnCu-SiO2@CNFs-1.0电极在100-2000mA/g的不同电流密度下的倍率性能(b);SnCu-SiO2@CNFs-1.0(c)和SnCu@CNFs(d)电极在100mA/g下的恒电流放电和充电曲线

 

图7.SnCu-SiO2@CNFs-1.0(a)和SnCu@CNFs(b)电极在0.01-3.00V电压范围内于0.1mV/s下的CV曲线

 

图8.SnCu@CNFs和SnCu-SiO2@CNFs-1.0电极的GITT曲线(a);SnCu@CNFs(b)和SnCu-SiO2@CNFs-1.0(c)电极在锂化和脱锂过程中的DLi+

 

图9.SnCu@CNFs(a,b)和SnCu-SiO2@CNFs-1.0(c,d)电极在100mA/g下循环100次前后的SEM照片,(e)循环前后SnCu-SiO2@CNFs-1.0电极的XRD对比图

 

图10.SnCu@CNFs、SnCu-SiO2@CNFs-0.5、SnCu-SiO2@CNFs-1.0和SnCu-SiO2@CNFs-1.5电极的奈奎斯特图(a),低频范围内Z′与ω-1/2的相应拟合曲线(b)

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