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河北農(nóng)大/青大EEM：三異質(zhì)結(jié)衍生氮摻雜碳納米管支架用于高性能鈉離子電池

鈉離子電池鐵基陽(yáng)極以其來(lái)源豐富、成本低廉、比容量高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，電子和離子轉(zhuǎn)移速率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差以及Na₂S中間體的穿梭效應(yīng)阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。

圖1.?材料制備示意

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)趙孝先、青島大學(xué)Chaoyue Zhang等以改性的MIL-88B（Fe）為模板，經(jīng)過(guò)催化生長(zhǎng)和硫化過(guò)程，設(shè)計(jì)了Fe₃O₄/Fe/FeS三異質(zhì)結(jié)節(jié)點(diǎn)衍生的N-碳納米管支架結(jié)構(gòu)（FHNCS）。

研究顯示，在催化生長(zhǎng)過(guò)程中，還原的Fe單體催化N摻雜碳納米管的生長(zhǎng)，連接Fe₃O₄/Fe/FeS三異質(zhì)結(jié)節(jié)點(diǎn)，形成3D支架結(jié)構(gòu)。其中氮摻雜的碳促進(jìn)了Fe₃O₄/Fe/FeS顆粒之間的電子轉(zhuǎn)移，三異質(zhì)結(jié)促進(jìn)了電子在界面處的擴(kuò)散，從而形成了3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)特的支架結(jié)構(gòu)提供了更多的活性位點(diǎn)并縮短了Na⁺的擴(kuò)散路徑。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，以緩解循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹。

圖2.?電化學(xué)性能研究

此外，F(xiàn)e₃O₄/Fe異質(zhì)結(jié)中的Fe可以調(diào)節(jié)Fe₃O₄中Fe的d帶中心，增強(qiáng)Fe₃O₄與Na₂S中間體之間的吸附，抑制了穿梭效應(yīng)。因此，F(xiàn)HNCS在0.5?A.?g^?1下表現(xiàn)出436 mAh?g^?1的高比容量?，并且分別在0.5?A.?g^?1和1.0 A.?g^?1條件下循環(huán)100次和1000次后具有84.7%和73.4%的容量保持率。作者認(rèn)為這一策略對(duì)構(gòu)建具有優(yōu)異倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的鐵基陽(yáng)極具有啟示意義。

圖3.?動(dòng)力學(xué)研究及理論計(jì)算

Fe3O4/Fe/FeS Tri-Heterojunction Node Spawning N-Carbon Nanotube Scaffold Structure for High-Performance Sodium-Ion Battery. Energy & Environmental Materials 2023. DOI: 10.1002/eem2.12684

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