近日，南京师范大学周小四教授和包建春教授合作在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Coupling Ternary Selenide SnSb2Se4 with Graphene Nanosheets for High-Performance Potassium-Ion Batteries”的研究型论文。
亮点
1. 通过多种电化学分析，表明三元化合物SnSb2Se4综合了二元化合物Sb2Se3（高容量）和SnSe（高循环稳定性）的优点，在100 mA g−1下循环100圈后容量为368.5 mAh g−1，明显高于Sb2Se3和SnSe，证实了三元硒化合物体系的协同效应。
2. 与石墨烯纳米片的偶联形成的网络框架以缓解电极反应过程中剧烈的体积变化，进一步提高材料的稳定性。
3. 理论计算证明了SnSb2Se4与石墨烯纳米片之间的吸附能最高，这可以显著提高该材料的循环稳定性，在500 mA g−1下循环500圈后，容量保持率为80%。
研究背景
在钾离子电池中，由于钾离子的离子半径更大，在充放电过程中动力学特性较差，导致电化学性能不理想。因此，正确控制负极材料的电导率和结构稳定性是优化钾离子电池性能的关键。多种金属氧化物/硫族类化合物由于其组成的多样性、可调节的晶体结构以及特殊的形态和结构而具有优良的物理、化学和电子性质。因此，它们被认为是一种很有前途的钾离子电池负极材料，并得到了广泛的研究。其中，硫化物（如SnS、Bi2S3和Sb2S3）和硒化物（如SnSe、Bi2Se3和Sb2Se3）由于其协同转化和合金化反应，具有比插入型负极（如石墨）更高的理论容量，而得到了广泛关注。此外，Se的电导率（1 × 10−3 S m−1）高于S（5 × 10−28 S m−1），表明其离子扩散的能垒低于氧化物和硫化物。同时，金属硒化物具有较高的理论容量和优越的氧化还原可逆性，是具有吸引力的负极材料，并已被深入研究。尽管如此，金属硒化物在嵌钾/脱钾过程中会产生较大的体积膨胀，导致材料的严重粉碎和倍率能力的快速下降。为了解决上述问题，我们采用了碳改性和多元素组合来提高硒化物作为钾离子电池负极材料的电化学性能。
文章简读
通过一种简单的球磨法制备了SnSb2Se4与石墨烯纳米片（GNS）的复合材料（SnSb2Se4/GNS）用于钾离子电池负极材料研究。在SnSb2Se4/GNS层状纳米结构中，单分散的SnSb2Se4纳米颗粒与石墨烯纳米片偶联形成网络框架，通过高分辨透射电镜图可以看到纳米颗粒镶嵌在石墨烯纳米片中，这可以有效缓解电极反应过程中剧烈的体积变化，并通过多种元素之间的协同作用保证钾离子的高效存储。理论计算和电化学结果表明，SnSb2Se4与石墨烯纳米片的吸附能最高，并同时具有Sb2Se3（高容量）和SnSe（高循环稳定性）的优点，体现出三元硒化合物的协同效应。作为钾离子电池负极材料，SnSb2Se4/GNS表现出卓越的循环性能，在500 mA g−1的高电流密度下，500次循环后容量保持在265.8 mAh g−1。此外，由SnSb2Se4/GNS负极和亚铁氰化钾（KFeHCF）正极组成的钾离子全电池也提供了出色的储钾性能（在50 mA g−1下200次循环后容量保持在160.1 mAh g−1），本研究结果为多元素合金基负极的设计和合成提供了一种新思路。
图文赏析
图1. SnSb2Se4/GNS复合物的合成示意图。
图2. (a) SnSb2Se4/GNS的SEM图，(b) SnSb2Se4/GNS的TEM图，(c，d) SnSb2Se4/GNS的HRTEM图，(e) HAADF-STEM图。(f) SnSb2Se4/GNS对应的元素映射图。
图3. SnSb2Se4和SnSb2Se4/GNS的(a) XRD图谱，(b) 拉曼光谱，(c) TGA曲线。SnSb2Se4和SnSb2Se4/GNS的(d) Sn 3d，(e) Sb 3d，(f) Se 3d XPS光谱。
图4. (a) Sb2Se3/GNS，(b) SnSe/GNS和(c) SnSb2Se4/GNS在100 mA g−1时的充放电曲线，(d) 在0.1 mV s−1 的扫速下，SnSb2Se4/GNS的CV曲线。(e) Sb2Se3/GNS，SnSe/GNS和SnSb2Se4/GNS的倍率性能和(f) SnSb2Se4/GNS在0.5 A g−1下的长循环性能。(g) SnSb2Se4/GNS与其它钾离子电池负极的倍率性能比较。
图5. SnSb2Se4/GNS、SnSe/GNS和Sb2Se3/GNS的GITT曲线，(a)第五次循环的放电和(b)第五个循环的充电。SnSb2Se4/GNS、SnSe/GNS和Sb2Se3/GNS在放电时(c)和充电时(d)的扩散系数。(e) SnSb2Se4/GNS、SnSe/GNS和Sb2Se3/GNS电极在5个周期后的Nyquist图。(f) 通过对SnSb2Se4/GNS、SnSe/GNS和Sb2Se3/GNS的Z’（即Zre）与ω−1/2图的线性拟合，得到了Warburg阻抗系数（σw）。
图6. (a) SnSe/GNS，(b) Sb2Se3/GNS和(c) SnSb2Se4/GNS的吸附能。(d) SnSe和GNS之间的距离，(e) Sb2Se3和GNS的距离，以及(f) SnSb2Se4和GNS的距离。
图7. (a) 在100 mA g−1时的放/充电曲线和(b) 在第一次循环中，不同状态下的SnSb2Se4/GNS的非原位XRD图。SnSb2Se4/GNS电极在不同状态下的XPS光谱：(c) Sn 3d, Sb 3d和Se 3d。SnSb2Se4/GNS在不同状态下的HRTEM图像：(d) 初始放电到0.6 V，(e) 初始放电到0.01 V，(f) 初始充电到3.0 V。
图8. (a) 全电池工作机制示意图，(b) 典型的充/放电曲线，(c) 倍率性能，(d) 不同电流密度下的充/放电曲线，(e) SnSb2Se4/GNS//KFeHCF全电池的长循环性能。
文章链接
Ruiqi Tian, Liping Duan, Yifan Xu, Yuehua Man, Jianlu Sun, Jianchun Bao*, and Xiaosi Zhou*. Coupling Ternary Selenide SnSb2Se4 with Graphene Nanosheets for High-Performance Potassium-Ion Batteries. Energy Environ. Mater. 2023. DOI: 10.1002/eem2.12617
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12617
本文来自EnergyEnvironmentalMaterials，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
