近期,四川大学刘慰研究员与德克萨斯大学奥斯汀分校David Mitlin教授合作,在Energy & Environmental Science上发表题为“Lithium-Activated SnS-Graphene Alternating Nanolayers Enable Dendrite-Free Cycling of Thin Sodium Metal Anodes in Carbonate Electrolyte”的研究论文。钠金属电池的负极由于电化学不稳定,会在表面形成Na基固体电解质中间相(SEI),并形成树状枝晶。本文中,研究者将锂离子活化的硫化锡-石墨烯纳米复合膜(A-SnS-G)用作人工SEI层,实现了厚度为100 µm的金属Na箔的稳定循环。将A-SnS-G放在聚丙烯(PP)隔膜上,然后原位转移到Na金属表面。由A-SnS-G保护的对称金属电池可在标准碳酸酯电解质中实现低的过电势。在4 mA cm-2下经过500圈循环后,可保持1000 mAh cm-2的面容量。但未激活的SnS-G膜的保护作用会显著降低钠金属电池的循环性。分析结果表明,未受SnS-G膜保护的样品会发生膨胀,出现钠的枝晶生长,但是这些现象都均可被A-SnS-G抑制。经过300圈循环,A-SnS-G中可检测到基于Li的SEI成分(ROCO2-Li,Li2CO3和LiF)。随后,作者用实验证实,具有高负载量(6 mg cm-2)的NVP正极的SMB和受A-SnS-G保护的负极配对,可以提供更好的长循环性能,在0.4 C下经过400圈循环后可保持74 mAh g-1。
图文导读
图1 锂活化的SnS-石墨烯纳米层复合膜(A-SnS-G)的合成和应用。 图1总结了A-SnS-G中Li离子活化的SnS-石墨烯纳米复合膜的合成过程。SnS-G膜是带正电的石墨烯和带负电的SnS纳米片的交替堆叠而成。作者采用膨胀-剥离技术制备膨胀石墨,作为SnS-G中石墨烯的前体。石墨的膨胀可大幅削弱石墨烯层之间的范德华相互作用,从而导致石墨结构的剥落。所得的少层石墨烯具有低的结构缺陷,包括纳米孔、氧基团或其他杂原子。随后,作者采用表面活性剂辅助的液相剥离法制备了SnS纳米片。制成后,SnS纳米片和石墨烯均带负电。没有官能化前,SnS和石墨烯会互相排斥、分离。使用阳离子聚合物聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)修饰石墨烯层,就可使其表面带正电。带正电的石墨烯和带负电的SnS纳米片交替,就可构建纳米层复合材料。在锂化/钠化时,SnS形成Na2S(Li2S)化合物或亚化学计量金属间化合物Na15Sn4(Li15Sn4)。循环过程中,这两种元素不重组,而是形成无定形Sn和S的纳米级分散体,该分散体在每圈循环中被重新细化。石墨烯通过充当纳米复合膜内的强化相来补充离子活性的Sn和S。与还原氧化石墨烯等相比,作者所采用的石墨烯具有低的结构和氧缺陷。即该方法制备的石墨烯具有 0.38 的拉曼 D/G 强度比和约5 at%的O含量。众所周知,碳材料中的化学缺陷(如氧基、悬挂键等)可催化碳酸酯溶剂分子的过度分解。如果寻求 SEI 的长期稳定性,则需要避开这一点。原始石墨烯对Na 容量的提升很小,这是因为没有 Na 离子的嵌入,并且能吸附Na离子吸附的缺陷很少。在Na离子电池循环期间,石墨烯经历最小的体积变化,并保持其结构。
图2(a-c)未修饰的PP隔膜,SnS-G修饰的PP隔膜和A-SnS-G修饰的PP隔膜的SEM图像和光学照片。(d)A-SnS-G的截面的SEM图像和EDXS元素分布图。作者首先将SnS-G通过真空抽滤方法沉积到聚丙烯(PP)隔膜上,随后通过锂化-脱锂循环形成A-Sn-G膜。沉积在云母衬底上石墨烯的 AFM 图像表明石墨烯层的厚度为 4-6 nm。石墨烯单层的厚度为 0.8~1.5 nm。测得的 4-6 nm的厚度对应于SnS -G中的石墨烯约为 5 个单层。XPS C 1s 谱显示一个显著的 C -C 峰与一个相对低强度的 C-O 峰重叠,表明结构中的氧含量很低。拉曼光谱显示出一个主要的G峰,Ig/ID 强度比为 2.63。还显示了相对强烈的2D峰,其存在也指示了高度的石墨有序。此外,AFM 图像也显示单片SnS的厚度为17 nm。图2(a)显示PP隔膜的多孔结构,图2(b)为修饰有SnS-G纳米层复合材料的PP隔膜,图2(c)表明A-SnS-G的结构。图2(d)所示为A-SnS-G的SEM图像以及EDXS元素分布图。Li化后,在0.01-2.5 V的电位范围内可形成稳定的Li基SEI,横截面SEM表征显示A-SnS-G层厚度保持在5 μm,并且能被电解质充分润湿,其中C,S和Sn元素能较好的分散,该层的不可逆容量为 0.16mAh cm-2。这种不可逆容量主要归因于锂基 SEI 的形成。
图3(a)SnS-G的TEM及SAED图像。(b-c)SnS-G和A-SnS-G的HRTEM图像和FFT转换图。(d)A-SnS-G和SnS-G的XRD分析。(e)A-SnS-G和SnS-G的XPS C 1s光谱。(f-g)A-SnS-G的XPS F 1s和Li 1s光谱。图3(a)为SnS-G的TEM分析。选区电子衍射(SAED)图案表明,SnS片具有纤锌矿结构。SAED显示正交SnS(142)、(040)和(021)的衍射图案,以及石墨烯的(100)的衍射图案。两个图案能很好地对齐,证实了两个相的堆叠。图3(b)为SnS-G的HRTEM图像和相关的傅立叶变换(FFT),表明SnS和石墨烯的有序晶体结构。由于存在石墨烯骨架,在长循环期间,纳米层的周期性可能会被破坏,但超细纳米复合材料的结构在很大程度上得以保留。根据图3(c)中的HRTEM和FFT分析,A-SnS-G中SnS的Li活化结构被完全非晶化。XRD分析(图3d)进一步证实了激活引起的SnS非晶化。A-SnS-G和SnS-G的XPS C 1s光谱如图3(e)所示。A-SnS-G的XPS F 1s和Li 1s光谱如图3(f)和3(g)所示。活化过程是形成基于Li的SEI,它均匀分布在具有Sn和S物种的石墨烯纳米复合材料上。根据XPS谱,SEI包含大量电解质分解产物,即Li2CO3,Li2O,ROCO2Li和LiF。LiF可稳定锂金属负极,它在SEI内形成了一个与活性材料相邻的弹性结构层。通过四探针电导率测试可发现,合成的SnS-G与A-SnS-G的电导率存在显著差异。SnS-G导电率为0.22 S cm-1,而A-SnS-G膜是绝缘的,约为0.001 S cm-1。活化后,该膜被非晶化,其内表面被许多基于Li的SEI绝缘相所覆盖,从而确保A-SnS-G不会作为镀层Na的载体。研究者推测SnS-G@Cu中形成的基于Na的SEI,可能也会因长期循环而变得绝缘。
图4(a-b)基于A-SnS-G@Na||A-SnS-G@Na,Sn-G@Na||Sn-G@Na和A-Na||A-Na和Na||Na对称电池在1 mA cm-2和4 mA cm-2下的电化学性能。(c)在4 mA cm-2下测试的对称电池的平均超电势。(d)循环后电池的奈奎斯特图。(e-f)A-SnS-G和SnS-G膜在0.2 mV s-1下的CV曲线。当这些膜与金属钠负极接触时,其结构称为“A-SNS-G@Na”和“SNS-G@Na”。图4显示了对称电池A-SnS-G@Na||A-SnS-G@Na和Sn-G@Na||Sn-G@Na 的电化学行为。还对两条基线进行了测试。第一个基线是无保护的薄Na箔,称为 Na||Na。第二个基线是不受保护的 Na 箔,但它通过相同的过程被Li激活,称为 A-Na||A-Na。图4(a)和(b)显示了在 1 mA cm-2 和 4 mA cm-2下测试的四种对称电池架构的电压-时间曲线。电镀时间固定为 0.5 小时。4 mA cm-2 时相关的平均电镀-剥离过电位结果如图4(c)所示。在对称电池中,平均过电位定义为最高负极和正极过电位绝对值的平均值(1 V 为极限值)。 可发现使用A-SnS-G@Na||A-SnS-G@Na的循环最稳定,电压过电位最低。这从循环曲线以及在 500 圈循环中几乎保持平坦的平均过电位图中可以明显看出。在1 mA cm-2或 4 mA c m-2(图4c)时,平均过电位不超过0.35 V。A-SnS-G@Na||A-SnS-G@Na电池在 1 mA cm-2 时能经受300圈,在 4 mA c m-2 时能经受 500 圈循环。该电池在两种电流下也表现出相对稳定的循环行为,但具有明显较高的过电位。在1 mA cm-2时,基线电池从开始就显示出不稳定的电压,显示出严重的过电位增加。在循环至105圈时,过电位的迅速下降可以解释为软短路,其中两个金属负极之间存在混合的电子和离子传导。对于A-SnS-G@Na||A-SnS-G@Na和SnS-G@Na||SnS-G@Na,当电流密度从 1 提高到 4 mA cm-2 时,过电位没有明显增加。例如,SnS-G@Na||SnS-G@Na电池在1 mA cm-2时显示出 0.22-0.30 V 的过电位,在4 mA cm-2时显示出 0.25-0.31V 的过电位。金属电沉积中的过电位行为是复杂的,具有与成核事件相关联的初始过电位尖峰,随后是与二次成核和晶粒长大相关联的过电位平台。此外,在大电流和/或大 SEI 厚度下,存在与电解质中和/或 SEI 中离子的浓差极化相关联的附加过电位。需要注意的是,就浓差极化或成核势垒而言,在4 mA cm-2电流下的焦耳热可能增强固态扩散并导致应力松弛,从而降低了测量的过电位。在循环过程中,A-SnS-G和SnS-G膜原位转移到金属钠上,并与负极表面结合。用于这些测试的电流密度为1 mA cm-2。文中还显示了在循环之前放置在 PP 隔膜上的保形 A-SnS-G 层和经过一个循环(电镀,剥离)后,A-SnS-G层的一部分从其表面缺失。100圈循环后,隔膜缺失了更多的A-SnS-G 层。Na金属负极的表征表明A-SnS-G在其表面上的渐进转移。金属钠的表面被一层棕黑色的涂层覆盖,这与循环后 PP 隔膜上缺失的膜可以很好地吻合。该转移是由附加SEI的形成驱动的,SEI 将Na金属表面结合到A-SnS-G层上。图4(d)为在1 mA cm-2下经过50次循环后,所有电池的电化学阻抗谱。A-Na||A-Na样品的电荷转移电阻和SEI电阻比Na||Na低,这可能与基于Li的SEI具有较低的过电势相关。比较电化学性能可以发现,基于锂的SEI优于基于钠的SEI。图4(e-f)显示了直接置于裸Cu集流体上而无底层Na金属的A-SnS-G和SnS-G膜的CV曲线。与Na/Na+相比,A-SnS-G@Cu和SnS-G@Cu镀覆/剥离Na金属的峰分别在-346/217 mV和-463/236 mV。SnS-G@Cu的阴极峰在200-750 mV范围内,这可归因于SnS-G的磺化反应。根据图4(f),A-SnS-G@Cu没有显示这一系列的阴极峰,表明基于Li的Sn和S相对稳定。