V3S4CNF柔性膜的构建及其在钠离子电池中的应用

　　安徽大学郑方才&中国科学技术大学陈乾旺Chem. Eng. J.：V3S4@CNF柔性膜的构建及其在钠离子电池中的应用
　　DOI: 10.1016/j.cej.2021.130229
　　硫化钒作为钠离子电池（SIBs）的替代负极材料因其层状结构特征和较高的理论容量而受到了广泛的关注，但因体积变化过大而导致的循环寿命和倍率性能不理想阻碍了其商业应用。在本文中，研究者通过一种简便且可扩展的工业化静电纺丝方法以及随后的热硫化法，制备了嵌入层状V3S4的碳纳米纤维（V3S4@CNF）柔性膜。将其作为SIBs负极进行了评估，V3S4@CNF具有出色的钠存储性能（0.1A/g下为400mAh/g；10A/g下为185mAh/g；3500次循环后容量保持率为98％）。此外，组装的全电池在0.1A/g时具有265mAh/g的优异容量和400Wh/kg的出色能量密度。碳纳米纤维薄膜支撑了结构的完整性，构建了交联导电骨架以促进电子转移和反应动力学，并且碳纳米纤维中的层状V3S4可提供较大的容量，从而实现了出色的钠存储性能。这项工作不仅为柔性独立电极的设计提供了一个临时方案，而且为SIBs的实际应用设计出了一种具有高能量密度的负极。
　　图1.所制备膜的大小和柔性示意图。（a）V3S4@CNF的合成示意图。（b）通过静电纺丝获得的前体。（c）处理后得到的独立式电极的尺寸。（d）独立式电极的柔性。
　　图2.V3S4@CNF和V2O3@CNF的形态表征。（a）V3S4@CNF前体，（b）V2O3@CNF前体，（c）V3S4@CNF和（d）V2O3@CNF的SEM图像。（e）V3S4@CNF的TEM和（f）HRTEM图像，展示了特殊的钢筋混凝土纳米纤维结构。（g）C（红色），N（紫色），S（绿色）和V（青色）的对应元素EDS映射图像。
　　图3.（a）V3S4@CNF和V2O3@CNF柔性薄膜的XRD图。（b）V3S4的相应晶体结构模型（V：绿色球，S：橙色球）。（c）拉曼光谱表明碳基质具有有利电导率，并给出了ID/IG。（d，e，f）V2p、S2p和C1s的XPS光谱。（g）C1s的高分辨率XPS光谱。
　　图4.V3S4@CNF作为钠离子半电池负极的钠存储性能。（a）扫描速率为0.1mV/s时的CV曲线。（b）在最初的三个循环中，0.1A/g时的充放电曲线。（c）0.1A/g时的循环性能。（d）不同速率下的倍率性能。（e）1A/g下的长期循环性能。（f）5A/g下的长期循环性能（插图：特殊循环的充放电曲线）。
　　图5.V3S4@CNF钠存储性能的动力学分析：（a）不同扫描速率下的CV曲线。（b）峰值电流与扫描速率之间的关系，基于三个峰值电流绘制相应的log（i）与log（ν）图。（c）在各种扫描速率下电容容量的相应贡献率。（d）当扫描速率为0.4mV/s时，V3S4@CNF的CV曲线和相应的伪电容贡献（橙色区域）。（e）V3S4@CNF电极在充电和放电过程中的恒电流间歇滴定技术（GITT）曲线；由GITT曲线计算得出Na+扩散系数与电压的关系（150个循环后，电流密度：0.1A/g）。（f）V3S4@CNF柔性独立式电极循环后的TEM以及（g）C（红色），Na（紫色），N（绿色），S（绿黄色）和V（黄色）元素的EDS映射图像。
　　图6.V3S4@CNF//NVP/C全电池的钠存储性能。（a）V3S4@CNF//NVP/C全电池的充放电曲线和钠离子全电池的示意图（插图）。（b）NVP/C正极（粉色）和V3S4@CNF负极（蓝色）的恒电流曲线。c）将本文中的钠离子全电池中点电压与其他相关文献中的数值进行比较。