超薄SnS2纳米片嵌入氮掺杂石墨烯复合材料的制备及其储锂/钠性能研究

陶 石 ，吴大军 ，韩志达 ，钱 斌 ，江学范

（常熟理工学院 a.物理与电子工程学院；b.江苏省新型功能材料重点建设实验室，江苏 常熟 215500）

从化石燃料到风能、太阳能等可再生能源的转变需要大规模的储能装置. 电池，尤其是锂离子电池，在消费电子和电动汽车中的成功应用，已成为自然选择［1-2］. 但是，地壳中锂的低含量以及相对苛刻的市场使人们对锂离子电池在电网规模中的可用性产生了怀疑. 因此，钠离子和钾离子电池成为具有成本效益的替代品［3］. 然而，对于钠离子电池而言，其电极主体材料非常罕见，只有少数负极材料表现出一定的氧化还原能力和足够的循环能力. SnS2近年来因其较高的理论比容量引起了研究者的广泛关注. 但是，SnS2用作电极材料时会发生大的体积膨胀，并且电子传导性低，造成了电池较差的循环稳定性和倍率性能. 目前，行之有效的方法是将SnS2与导电碳基质结合以缓冲体积变化并改善电子传导性［4］. 而石墨烯由于具有高的导电性、极大的比表面积以及良好的柔韧性已经被广泛应用于与SnS2材料复合，用来改善材料的循环性能.

如图1所示，本文首次以SnCl4·5H2O、CH4N2S和改良的Hummers方法合成的氧化石墨烯（GO）为主要原料，通过热分解方法制备出超薄SnS2纳米片嵌入氮掺杂石墨烯复合材料［5］.

图1 SnS2/NGS复合材料合成示意图

从图2（a）中，我们发现所制得的SnS2和SnS2/NGS复合材料的衍射峰均与PDF#23-0677标准卡片的SnS2的（100），（101），（102），（110），（111）和（103）晶格平面对应，且没有其他衍射峰的出现，表明没有杂相存在. 图2（b）为SnS2/NGS复合材料的SEM 图像，从SEM图中可以看出SnS2/NGS材料呈现出均匀的片状结构，其中二维（2D）SnS2纳米晶体分布在石墨烯层中. 在图2（c）中同样也展示出SnS2纳米片被包裹在石墨烯基质中，并非常紧密地生长在石墨烯表面，这种形貌可以很好地利用石墨烯本身的延展性，来缓解SnS2在充放电过程中的体积变化，在SnS2/NGS纳米片的HRTEM图像图2（d）中，晶面间距为0.59 nm，分别对应着SnS2的（001）晶面，图2（e）是SnS2/NGS复合材料的EDX元素分布图，从图中可以较为明显地看出，复合材料中的Sn，S，C和N元素几乎全部均匀分布，由此不仅证明了复合材料中N元素的存在，也可以证明SnS2纳米片被石墨烯包裹.

我们将其作为锂离子电池负极材料，获得优异的倍率性能和循环稳定性，见图3（a）. 特别在8.0 A/g电流密度下，放电比容量达到488 mAh/g（远高于传统石墨负极材料）. 在0.5 A/g电流密度下，循环200圈容量保持在763 mAh/g，见图3（b）. 同时，作为钠离子电池负极材料，表现出了优异的储钠性能，见图3（c）和图3（d）. 其中，在5.0 A/g条件下可获得364 mAh/g，0.5 A/g 条件下循环200圈，可逆容量仍保持在453 mAh/g. 以上结果为后期发展新型高性能储能电池负极材料提供实验探索. 相关结果发表于Chemical.Communications， 2018， 54［5］.

图 2 （a）SnS2/NGS的XRD图 谱；（b）SnS2/NGS的SEM图；（c） （d）SnS2/NGS的TEM图；（e）SnS2/NGS的EDX mapping 图谱

图3 SnS2/NGS作为锂离子电池负极材料 （a）倍率性能图；（b）循环性能图，SnS2/NGS作为钠离子电池负极材料；（c）倍率性能图；（d）循环性能图