静电纺丝FeP2/P/C纳米纤维异质结用作高性能锂/钠离子电池的自支撑负极材料
DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139682
FeP2和P具有较高的理论容量,是很有前途的锂离子和钠离子储存负极材料。但较差的导电性和严重的体积膨胀限制了其实际性能。在此,研究者制备了一种由直径为150.0-200.0nm的FeP2、P和C异质结构纳米纤维组成的柔性自支撑负极材料(命名为FeP2@CNs-700)。分散良好的FeP2纳米粒子和无定形磷被限制在碳纳米纤维骨架中,这增强了材料的电子/离子传输和结构稳定性。因此,FeP2@CNs-700显示出高容量(在0.1A/g时锂离子电池的容量为1132.2mAh/g,在0.1A/g时钠离子电池的容量为680.8mAh/g),优异的循环稳定性(500次循环后LIBs在0.5Ag下的容量保持率为84.6%,400次循环后SIBs在1.0A/g下的容量保持在300.1mAh/g),出色的倍率性能(锂/钠离子电池在10.0A/g高电流密度下的对应值分别为461.2/227.9mAh/g)以及较高的初始库仑效率(LIBs为87.3%,SIBs为74.5%),是一种有希望的高容量负极候选材料。
图1.(a)Fe@CNs-700和(b)FeP2@CNs-700的扫描电子显微镜(SEM)图像。(c,e)FeP2@CNs-700的透射电子显微镜(TEM)图像。(d,f)FeP2@CNs-700的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。(g)FeP2@CNs-700的超级能量色散X射线光谱(EDS)。
图2.(a)Fe@CNs-700和FeP2@CNs-700的X射线衍射和(b)拉曼光谱。(c)Fe@CNs-700和FeP2@CNs-700的热重(TG)分析。
图3.(a)FeP2@CNs-X(X=600/700/800/900)的倍率性能。(b)FeP2@CNs-700、FeP2@CNs-800和FeP2@CNs-900在0.5A/g电流密度下的长期循环性能(CE:库仑效率)。
图4.(a-c)FeP2@CNs-700的X射线光电子能谱(XPS)(分别在0.1A/g下首次充电/放电至2.7/0.02V)。
图5.(a)FeP2@CNs-700在0.02-2.7V范围内于0.1mV/s下的代表性循环伏安(CV)曲线(初始CV曲线)。(b)FeP2@CNs-700电极在0.1A/g时的初始放电-充电曲线,(c)FeP2@CNs-700电极在特定峰值电流下的Log(i)与log(v)曲线。(d)FeP2@CNs-700电极在第二个循环中的离子扩散系数。
图6.(a)全电池(LiFePO4为正极,FeP2@CNs-700为负极)的循环稳定性。(b)全电池的充放电曲线(1.5-4.3V),(c)组装全电池的照片。
同轴静电纺丝成面条状的原因如下:1、在电纺过程中两种溶液在毛细管口处汇合时间较短,且两种溶液的扩散系数较低,因此两种纺丝液在固化前不会混合。对内外层液体施加高压电场,内层溶液的电荷逐渐迁移到外层溶液表面。
2、随着电压升高,电场力变大,外层溶液表面的电荷量逐渐増加。当电荷聚集到一定程度,电荷的排斥力増大,外层溶液被拖拽并拉伸,在纺丝喷头处形成复合泰勒锥,继而从泰勒锥体拉伸出由壳层包被着核层聚合物的同轴复合结枃。复合泰勒锥被进一步牵伸成芯壳结构喷射细流,在拉伸的过程中经过强烈的鞭动、弯曲变形。随着溶剂在细流牵伸过程中快速挥发和喷射流的逐渐细化,最终在接收装置上收集到复合结枃的超细纤维膜。
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