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
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陈光海 a, ,
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白莹 a, ,
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吴锋 a,b, ,
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吴川 a,b, ,
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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
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b.
北京市电动汽车协同**中心 北京 100081
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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%FEC溶液，Grass fiber为隔膜，在手套箱组装2025扣式电池。
