二維層狀氮化二鈣作為鈉離子電池負(fù)極材料 whatman電池隔膜上海摩速
二維層狀氮化二鈣作為鈉離子電池負(fù)極材料
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陳光海 a, ,
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白瑩 a, ,
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吳鋒 a,b, ,
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吳川 a,b, ,
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a.
北京理工大學(xué)材料學(xué)院, 環(huán)境科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室, 北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081
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b.
北京市電動汽車協(xié)同**中心 北京 100081
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基金項(xiàng)目:
國家973計(jì)劃(2015CB251100)資助項(xiàng)目
國家973計(jì)劃 2015CB251100
摘要: 以Ca3N2為前驅(qū)體，用高溫?zé)峤夥ㄖ苽淞?D層狀結(jié)構(gòu)Ca2N并用X射線和掃描電鏡對Ca2N的組成、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。作為鈉離子電池新型負(fù)極材料，在50 mA/g電流密度充放電，**放電比容量可達(dá)584 mA·h/g，可逆比容量達(dá)180 mA·h/g。在2000 mA/g大電流密度下，仍有70 mA·h/g。
由于鈉資源豐富且分布均勻，鈉離子電池被視為一種**發(fā)展前景的大規(guī)模能量存儲與轉(zhuǎn)換裝置[1-2]。鈉與鋰有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，鈉離子電池的很多研究可以借鑒鋰離子電池，但是鈉電池化學(xué)與鋰電池化學(xué)又有不同。例如，石墨作負(fù)極在鋰離子電池中比容量可達(dá)350 mA·h/g[3]，但在鈉離子電池中只有35 mA·h/g放電比容量，這是因?yàn)槭c鈉的結(jié)合能很弱，不適于作鈉離子電池負(fù)極[1, 4]。因此，電極材料的研發(fā)與設(shè)計(jì)是促進(jìn)鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵[5]。近年來，二維(2D)材料在堿金屬離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用引人注目，其獨(dú)特形貌和結(jié)構(gòu)提供了堿金屬離子儲存框架，高活性表面和短程輸運(yùn)通道非常適合堿金屬離子的脫嵌和輸運(yùn)[6]。
**性原理計(jì)算表明，2D單層氮化鈣(Ca2N，一種2D電子體[Ca2N]+e-)具有高電子遷移率和低逸出功，作為鈉離子電池負(fù)極其理論比容量可達(dá)1138 mA·h/g，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ碾姌O材料[7]。但是，單層氮化鈣對空氣及濕度非常敏感，易被氧化成氧化鈣或潮解成氫氧化鈣，實(shí)驗(yàn)制備與結(jié)構(gòu)表征過程非常困難。本工作用高溫?zé)峤夥ㄖ苽涑龇€(wěn)定的多片層堆垛二維Ca2N，將其應(yīng)用于鈉離子電池，研究了材料的充放電性能。
合成的粉末經(jīng)X射線衍射(圖 1A)分析基本為2D結(jié)構(gòu)[8]的Ca2N純相，微弱的雜峰是測試操作過程中短暫接觸水氣生成的Ca(OH)2相。晶體結(jié)構(gòu)如圖 1B，每個N原子與6個Ca原子形成八面體配位，每個Ca原子連接鄰近的3個N原子形成二維Ca2N單層，單層與單層之間層間距為0.386 nm[9]。掃描電子顯微鏡(SEM)照片(圖 1C, 1D)顯示，合成的Ca2N呈10~20 μm寬、~100 nm厚的多層片狀結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)部分
氮化鈣(Ca3N2, Alfa, 99%)，PVDF(Alfa)，導(dǎo)電炭黑(Super P, Timcal)，高氯酸鈉(Alfa, 98%)，碳酸丙烯酯(PC, Acros, 99.5%)，氟代碳酸乙烯酯(FEC, Aladdin, 98%)，Grass fiber隔膜(Whatman)，金屬鈉購于國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司。使用DMA2400型X射線衍射儀(XRD，日本Rigaku公司, CuKα)對物相組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，Supre55/3195型場發(fā)射掃描電鏡(SEM，德國ZEISS公司)對形貌進(jìn)行表征，用CT2001A藍(lán)電電池測試系統(tǒng)(武漢市藍(lán)電電子股份有限公司)對電池進(jìn)行充放電測試。
Ca2N電極制備及鈉離子電池組裝：在手套箱內(nèi)將Ca3N2塊體研磨成粉末，封裝在金屬鈮坩堝中，轉(zhuǎn)移至管式爐(Ar氣保護(hù))內(nèi)，1100 ℃煅燒12 h，冷卻至室溫得到墨綠色Ca2N粉末[10]，轉(zhuǎn)化效率為92.5%(實(shí)際生成Ca2N質(zhì)量mCa2N/理論生成Ca2N質(zhì)量mCa2N0×100%)。將Ca2N粉末、PVDF、導(dǎo)電炭黑以質(zhì)量比8:1:1研磨混勻，然后采用冷壓法直接壓制成無集流體的Ca2N電極[11]。用金屬鈉作對電極，電解液為1 mol/L NaClO4/PC+2%FEC溶液，Grass fiber為隔膜，在手套箱組裝2025扣式電池。
