二维层状氮化二钙作为钠离子电池负极材料 whatman电池隔膜上海摩速
二维层状氮化二钙作为钠离子电池负极材料
-
a.
北京理工大学材料学院, 环境科学与工程实验室, 北京重点实验室 北京 100081
-
b.
北京市电动汽车协同**中心 北京 100081
-
基金项目:
国家973计划(2015cb251100)资助项目
国家973计划 2015cb251100
摘要: 以ca3n2为前驱体，用高温热解法制备了2d层状结构ca2n并用x射线和扫描电镜对ca2n的组成、结构和形貌进行了表征。作为钠离子电池新型负极材料，在50 ma/g电流密度充放电，**放电比容量可达584 ma·h/g，可逆比容量达180 ma·h/g。在2000 ma/g大电流密度下，仍有70 ma·h/g。
由于钠资源丰富且分布均匀，钠离子电池被视为一种**发展前景的大规模能量存储与转换装置[1-2]。钠与锂有相似的物理化学性质，钠离子电池的很多研究可以借鉴锂离子电池，但是钠电池化学与锂电池化学又有不同。例如，石墨作负极在锂离子电池中比容量可达350 ma·h/g[3]，但在钠离子电池中只有35 ma·h/g放电比容量，这是因为石墨与钠的结合能很弱，不适于作钠离子电池负极[1, 4]。因此，电极材料的研发与设计是促进钠离子电池发展的关键[5]。近年来，二维(2d)材料在碱金属离子电池领域的应用引人注目，其独特形貌和结构提供了碱金属离子储存框架，高活性表面和短程输运通道非常适合碱金属离子的脱嵌和输运[6]。
**性原理计算表明，2d单层氮化钙(ca2n，一种2d电子体[ca2n]e-)具有高电子迁移率和低逸出功，作为钠离子电池负极其理论比容量可达1138 ma·h/g，是一种具有发展潜力的电极材料[7]。但是，单层氮化钙对空气及湿度非常敏感，易被氧化成氧化钙或潮解成氢氧化钙，实验制备与结构表征过程非常困难。本工作用高温热解法制备出稳定的多片层堆垛二维ca2n，将其应用于钠离子电池，研究了材料的充放电性能。
合成的粉末经x射线衍射(图 1a)分析基本为2d结构[8]的ca2n纯相，微弱的杂峰是测试操作过程中短暂接触水气生成的ca(oh)2相。晶体结构如图 1b，每个n原子与6个ca原子形成八面体配位，每个ca原子连接邻近的3个n原子形成二维ca2n单层，单层与单层之间层间距为0.386 nm[9]。扫描电子显微镜(sem)照片(图 1c, 1d)显示，合成的ca2n呈10~20 μm宽、~100 nm厚的多层片状结构。
实验部分
氮化钙(ca3n2, alfa, 99%)，pvdf(alfa)，导电炭黑(super p, timcal)，高氯酸钠(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)，金属钠购于国药集团化学有限公司。使用dma2400型x射线衍射仪(xrd，日本rigaku公司, cukα)对物相组成和结构进行表征，supre55/3195型场发射扫描电镜(sem，德国zeiss公司)对形貌进行表征，用ct2001a蓝电电池测试系统(武汉市蓝电电子股份有限公司)对电池进行充放电测试。
ca2n电极制备及钠离子电池组装：在手套箱内将ca3n2块体研磨成粉末，封装在金属铌坩埚中，转移至管式炉(ar气保护)内，1100 ℃煅烧12 h，冷却至室温得到墨绿色ca2n粉末[10]，转化效率为92.5%(实际生成ca2n质量mca2n/理论生成ca2n质量mca2n0×100%)。将ca2n粉末、pvdf、导电炭黑以质量比8:1:1研磨混匀，然后采用冷压法直接压制成无集流体的ca2n电极[11]。用金属钠作对电极，电解液为1 mol/l naclo4/pc 2�c溶液，grass fiber为隔膜，在手套箱组装2025扣式电池。