专栏名称: 材料分析与应用
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山东理工大学《JMCA》:Sn2P2O7/石墨烯复合材料,用于钠离子电容器

材料分析与应用  · 公众号  ·  · 2025-02-05 16:28

正文


1 成果简介


转换合金型阳极 Sn2P2O7 具有理论容量高、成本低和无毒等优点,是钠离子电容器 (SIC) 的理想候选材料,但它存在导电性差和体积膨胀大的问题。 本文, 山东理工大学 Peng Fu Mei Ma J. Mater. Chem. A》期刊 发表名为“ A tin-based composite oxide confined by reduced graphene oxide as a high-rate anode for sodium-ion capacitors ”的论文,研 提出了一种温和的自组装策略,将还原氧化石墨烯(rGO)限定的 Sn2P2O7 用作钠存储的阳极 ,从而在0.1Ag-1的条件下获得了 433.3 mA hg-1的惊人比容量,并在10Ag-1 的高电流密度条件下获得了 185.7 mA hg-1 的卓越速率能力。


值得注意的是,原位 TEM 揭示了潜在的演化过程,即随着循环的进行,Sn2P2O7 颗粒被粉碎成尺寸稳定的纳米点,而 rGO 在长期循环后可持续维持 Sn2P2O7 纳米点的电子传导。定量动力学分析定量地揭示了伪电容在钠储存过程中的主导作用。同时,密度泛函理论计算表明,rGO 与 Sn2P2O7 之间的界面结合大大有利于加速电子转移。组装后的 Sn2P2O7/rGO//AC SIC 的重力能量/功率密度高达 158.3 W h kg-1/2523.3 W kg-1。这项研究为高速率、长寿命锡基复合氧化物阳极的结构设计奠定了基础。


2 图文导读


方案一、 Schematic of the synthesis process of the Sn 2 P 2 O 7 /rGO composite.


图1、 Structure and chemical composition of Sn 2 P 2 O 7 and Sn 2 P 2 O 7 /rGO. (a) XRD patterns, (b) FTIR spectra, (c) Raman spectrum, (d) TGA curve, (e) survey spectra and high-resolution XPS spectra of (f) C 1s, (g) Sn 3d, (h) P 2p, and (i) O 1s.


图2. Morphological characteristics and component distribution of Sn 2 P 2 O 7 /rGO. (a and b) SEM images, (c) TEM and (d) HRTEM images, and (e) EDS elemental mapping images.


图3、 SIB 的电化学性能。


图4、 Ex situ TEM images (a–d), HRTEM images (e–h), SAED patterns (i–l) and EDS elemental mapping (m–p) of the Sn 2 P 2 O 7 /rGO electrode after 250, 500, 750, and 1000 cycles at a current density of 1 A g −1 , respectively.


图5、 Sodium-ions storage kinetics analysis of the Sn 2 P 2 O 7 /rGO anode. (a) CV curves at various scan rates, (b) log( i ) versus log( v ) plots at specific peak currents, (c) capacitive contribution in the CV curve tested at 1 mV s −1 , (d) capacitive contribution in the CV curves obtained at different scan rates. (e) EIS spectra (Nyquist plots) with the equivalent circuit model, (f) GITT curve and diffusivity versus state of discharge and charge during the selected second cycle, (g) the plot of Z ′ and ω 1/2 at low frequencies based on the Nyquist plots for Sn 2 P 2 O 7 /rGO and Sn 2 P 2 O 7 .


图6、 Sn2P2O7/rGO//AC SIC 的电化学性能。


3 小结


总之,通过温和的自组装方法合成了Sn2P2O7/rGO复合材料,然后进行了冷冻干燥和煅烧。rGO与Sn2P2O7之间增强的界面结合确保 Sn2P2O7牢固嵌入 rGO 的碳网络框架中,从而提高了电极的结构稳定性,即使在1Ag-1 的条件下循环1000次,也能保持粉碎的 Sn2P2O7 纳米点的电子传导性。Sn2P2O7/rGO 阳极在0.1至10Ag-1 电流密度下的比容量分别为 433.3、381.9、330.9、296.5、271.8、227.4 和185.7 mA h g-1,其卓越的速率能力主要归功于占主导地位的赝电容。DFT计算进一步证实,Sn2P2O7/rGO 复合材料中 rGO与Sn2P2O7之间的结合有利于加速界面电荷转移。结合交流阴极,Sn2P2O7/rGO//AC SIC在功率密度为75.4W kg-1 的情况下可提供 158.3Wh kg-1 的高能量密度。这些结果表明,由rGO限制的锡基复合氧化物是一种很有前途的SIC高速率阳极。


文献:

  • DOI

  • https://doi.org/10.1039/D4TA08656B







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