石墨碳材料作為鈉離子電池（SIBs）負(fù)極的發(fā)展受到其固有的低比容量的極大限制。在此，通過簡單易行的一步水熱法成功合成了氮硫共摻雜 3D 石墨烯框架 (NSGF)，并在醚基電解質(zhì)中表現(xiàn)出高鈉存儲能力。對 NSGF、未摻雜石墨烯骨架 (GF) 和氮摻雜石墨烯骨架 (NGF) 進(jìn)行了系統(tǒng)比較。結(jié)果表明，NSGF 的高比容量可歸因于 Na 離子在石墨烯層內(nèi)的自由擴(kuò)散以及-C-S
x-C-共價鍵與 Na 離子之間的可逆反應(yīng)，這要歸功于較大的晶面距離和占主導(dǎo)地位的-NSGF中的-C-S
x-C-共價鍵。因此，NSGF 陽極表現(xiàn)出高初始庫侖效率 (ICE) (92.8%) 和在 0.1 A g
-1 時的比容量 834.0 mA h g
-1。動力學(xué)分析證實，N/S共摻雜的協(xié)同作用不僅大大提高了Na離子擴(kuò)散速率，而且降低了NSGFs的電化學(xué)阻抗。SEM、非原位 XPS、HTEM 和非原位拉曼光譜等驗尸技術(shù)都證明了 3D 石墨烯基質(zhì)的物理化學(xué)極其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和在 NSGF 表面形成的超薄富含無機(jī)物的固體電解質(zhì)界面 (SEI) 膜。然而值得注意的是，Na 存儲性能和機(jī)制是醚類電解液所獨有的，并且會在碳酸酯基電解質(zhì)中受到抑制。此外，首次報道了在S原子和醚基電解質(zhì)協(xié)同作用下銅箔的腐蝕。有趣的是，這種腐蝕產(chǎn)生的副產(chǎn)物可以提供額外的鈉儲存能力。這項工作闡明了通過在 SIB 中摻雜雜原子來提高碳基負(fù)極電化學(xué)性能的機(jī)制，并為設(shè)計高性能 SIB 負(fù)極提供了新的思路。
Fig 1. (a) GF、(b) NGF 和 (c) NSGF 的 SEM 圖像。 (d–f) NSGF 的 TEM 和 HRTEM 圖像。 (g 和 h) NSGF 的 EDS 映射結(jié)果。
Fig 2. (a) XRD 圖和 (b) GF、NGF 和 NSGF 的拉曼光譜。 (c) FTIR 光譜和 (d) NSGF 的氮吸附/脫附等溫線；插入圖像是 NSGF 的孔徑分布。
Fig 3. (a) NSGF 的 XPS 調(diào)查光譜。 (b–e) NSGF 的高分辨率 XPS 光譜。 C 1s (b)、N 1s (c)、S 2p (d) 和 O 1s (e)。 (f) NSGF 的合理結(jié)構(gòu)。
Fig 4. (a) GF、(b) NGF 和 (c) NSGF 的初始五個 CV 圖，范圍為 0.01–3.0 V，掃描速率為 0.2 mV s
-1。 (d) GF、(e) NGF 和 (f) NSGF 在 0.1 A g
−1 時的初始三個充電/放電曲線。 (g) GF、NGF 和 NSGF 在 0.1 A g
−1 時的循環(huán)性能。 (h) 電流密度為 0.1 至 5 A g
−1 的 GF、NGF 和 NSGF 的倍率性能。 (i) NSGF 在 1 A g
−1 下的長期循環(huán)。
Fig 5. (a) NSGF 在不同電位下的非原位 XRD 模式。 (b) GF、NGF 和 NSGF 電極的 EIS 光譜。 (c) GF、NGF 和 NSGF 電極的 GITT 曲線。 (d) 從 GITT 曲線計算 GF、NGF 和 NSGF 電極的 Na 離子擴(kuò)散系數(shù)。
Fig 6. (a–d) NSGFs 電極在第二個循環(huán)時電壓為 0.01 V 時的 HRTEM 圖像。 (e–h) NSGFs 電極在第二個循環(huán)電壓為 3.0 V 時的 HRTEM 圖像。
Fig 7. 第 1 和第 5 個循環(huán)中 NSGF 的高分辨率 XPS 光譜。 （a 和 e）C 1s，（b 和 f）O 1s，（c 和 g）F 1s，（d 和 h）Na 1s。
Fig 8. 充電/放電過程中 NSGF 中 Na
+ 存儲的示意圖。
Fig 9. (a) 完整電池的示意圖。 (b) 初始三個充電/放電曲線，(c) 長循環(huán)和 (d) NVPO// NSGF 全電池在 0.1 A g
−1 時的倍率性能。
相關(guān)研究工作由中國礦業(yè)大學(xué)Zhicheng Ju課題組于2023年在線發(fā)表在《Nanoscale》期刊上，原文：Ether-based electrolytes enable the application of nitrogen and sulfur co-doped 3D graphene frameworks as anodes in high-performance sodium-ion batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
