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高储锂性能Cu-Sn-S自组装纳米管技术研究

发布时间: 2017-10-12 00:01     来源: 材料牛

【背景介绍】

Cu-Sn-S(CTS)是一种环境友好和储量丰富的新型太阳能电池材料,同时具有较高的储锂理论容量、较大的层间距和通道尺寸,使其有望成为下一代锂电池的高性能电极材料。目前报道的CTS电极材料大部分为颗粒状且具有较大的体积膨胀,从而导致明显的容量衰减现象。如果能够构造合理的纳米材料,结合含有不同物相组成的核壳结构,将有望大大提高其电化学性能。

【成果简介】

近日,德州大学奥斯汀分校的Mullins教授和Henkelman教授、厦门大学的郭航教授(共同通讯)和联培博士生林杰(第一作者)等人在ACS Nano上发表题为“Self-Assembled Cu?Sn?S Nanotubes with High (De)Lithiation Performance”的文章。该工作提出一种无添加剂的凝胶-溶剂热法,制得自组装的CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒,通过多种材料表征技术发现该纳米管具有Cu3-4SnS4@Cu2SnS3的多相核壳结构,并通过密度泛函理论(DFT)计算对比不同物相的体积变化、锂化曲线和形成焓,证明该核壳结构可有效缓解锂化时的体积膨胀,从而表现出优异的电化学性能(200次循环后可逆容量仍保持在774mAh/g)和较高的初始库伦效率(82.5%)。此外,还利用DFT计算三种不同物相在不同锂化阶段时的原子结构变化,结合精修后的原子模型,提出单分子可嵌入18摩尔锂的Li-Cu-Sn-S固溶体反应。

【图文导读】

图1:CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的形貌

(a, b)配合物纳米管模板和所制得的CTS纳米管

(c, d)配合物次纳米管模板和所制得的CTS次纳米管

(e, f)制得的CTS纳米颗粒和CTS纳米管的中空截面图

图2:CTS纳米管的结构表征

(a)CTS纳米管的透射电镜图以及内外区域的选区电子衍射图

(b)CTS纳米管的表面高分辨透射电镜图

(c-f)CTS纳米管的扫描透射电镜元素分布图

图3:CTS物相的密度泛函理论计算

(a)三种CTS物相锂化时的体积变化率

(b)三种CTS物相的理论锂化曲线

(c)三种CTS物相锂化时的形成能凸包分析

(d-f)三种CTS物相在不同锂化阶段时的原子结构变化

图4:CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的电化学性能

(a)CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的循环性能及其库伦效率

(b)CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的倍率性能及其充放电容量

【小结】

本工作提出的配合物模板及其自组装方法可用于制备类似的Cu基硫化物纳米管,并用于储能或其他领域。密度泛函理论的计算结果为Cu-Sn-S材料的储能应用提供了理论依据,而该核壳结构及其分析、计算方法也为开发其他新型多元材料提供了创新性思路。

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