中物院化工材料研究所张文华&周斌ACS Nano：锑金属纳米管的电置换反应法制备及其储钠性能的研究

【引言】

目前很多研究学者在致力于开发钠离子电池的倍率性能高、循环稳定性强的负极材料。在这些材料中，锑金属负极由于理论容量高、导电性强、工作电压合适而具有很大的希望。但是，它在嵌钠/脱钠过程中体积变化巨大，从而发生严重的粉化现象，导致容量迅速衰减。一维管状结构能减轻它的体积变化的问题。最近，大量锑金属管状复合电极表现出不错的倍率性能和长期循环性能，例如双壁Sb@TiO_2-x纳米管和Sb@C同轴纳米管。然而，和锑金属相比，引入碳或者TiO_2-x会降低复合电极的比容量。因此锑金属纳米管是较好的选择。

【成果简介】

中国工程物理研究院化工材料研究所的研究员张文华和博士后周斌（共同通讯作者）等人利用电置换反应制备了结构规整的锑金属纳米管。他们通过一系列表征的手段确定该反应的中间产物是 Cu₂Sb。锑金属纳米管作为钠离子电池的负极材料，在电流密度为10 A g^-1时的储钠容量为286 mAh g^-1，在电流密度为1.0 A g^-1的条件下进行6000次循环后保留了74%的容量。而且，锑金属纳米管和Na₃(VOPO₄)₂F 分别作为负极和正极的全电池的能量密度高达252 Wh kg^-1，输出电压为2.7V。上述成果于近日发表在ACS Nano上。

【图文导读】

Figure 1. a)锑金属纳米管的合成方法的示意图；b) 铜金属纳米线的TEM图； c)锑金属纳米管的XRD图； d,e)锑金属纳米管的 TEM图；f,g) 锑金属纳米管的 SEM图； h) 锑金属纳米管的HRTEM图； i) 锑金属纳米管的元素分布和能量色散X射线谱。

Figure 2. a) CuCl-DMSO溶液、CuCl₂-DMSO溶液和电置换反应后收集的上清液的UV-vis谱图；b) CuCl-DMSO溶液、CuCl₂-DMSO溶液和电置换反应后收集的上清液的EPR谱图； c) 不同反应时间的电置换反应后的产物的XRD谱图 ； d) Cu/Sb 不同的条件下制备的产物的XRD谱图。

Figure 3.a)锑金属纳米管负极的CV曲线；b) 锑金属纳米管负极在第1、2、5、10、25、50个循环的充放电曲线；c) 锑金属纳米管负极、Cu₂Sb@Sb纳米管负极和Cu@Cu₂Sb纳米管负极的倍率性能； d,e) 锑金属纳米管负极、Cu₂Sb@Sb纳米管负极和Cu@Cu₂Sb纳米管负极的循环性能

Figure 4. a) Na₃(VOPO₄)₂F和锑金属纳米管组成的钠离子全电池的示意图；b)全电池的恒电流充放电曲线；c)全电池的循环性能；d) 全电池的Ragone图

【小结】

作者团队通过电置换反应制备的锑金属纳米管作为钠离子电池的负极材料，表现出优异的储钠性能、倍率性能和循环稳定性。而且，锑金属纳米管和Na₃(VOPO₄)₂F组成的钠离子全电池具有高能量密度和高输出电压的特点。该团队将锑金属纳米管出色的储钠性能归因于其一维的、中空的、具有薄壁的结构。这项成果为除了锑之外的其它合金型金属的纳米管广泛应用于钠离子电池的负极材料提供了机遇。

文献链接：Galvanic Replacement Synthesis of Highly Uniform Sb Nanotubes: Reaction Mechanism and Enhanced Sodium Storage Performance（ACS Nano，2019，DOI:10.1021/acsnano.9b01660 ）

本文由kv1004供稿。