Rationeel ontwerp van 3D-honingraatachtige SnS2 Quantum Dots/rGO-composieten als hoogwaardige anodematerialen voor lithium-/natrium-ionbatterijen

Resultaten en discussie

Schema 1 illustreert het syntheseproces van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. Een colloïdale oplossing, bestaande uit uniform gedispergeerde GO-nanobladen, PS-nanosferen en tin (IV) chloride-pentahydraat wordt 6 uur bij kamertemperatuur geroerd. Om ervoor te zorgen dat er geen neerslag wordt gevormd, laat men de colloïdale oplossing enkele uren staan ​​voordat deze wordt verneveld. Vervolgens wordt het Sn-zout-GO-PS-composiet in 10 s in de reactor gevormd (figuur 1a). Ten tweede, de 3D SnO₂ /rGO-composiet wordt gesynthetiseerd door middel van calcinering in Ar-atmosfeer, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Figuren S1a en S1b. Tijdens de vorming van de 3D SnO₂ /rGO-composiet, de PS-nanosferen met een gemiddelde grootte van 200-300 nm fungeren als een opgeofferde sjabloon die uniform is verankerd op de rGO-lagen. Na calcinering resulteert de ontleding van de PS-nanosferen in holtes van 200-300 nm, wat leidt tot de vorming van een 3D-honingraatachtige structuur, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1c. Ten slotte wordt thioureum gebruikt als zwavelbron en reductiemiddel om te reageren met de voorloper 3D SnO₂ /rGO om honingraatachtige 3D SnS₂ . te verkrijgen QDs / rGO-composiet (Fig. 1b, c). Het TEM-beeld in Fig. 1d demonstreert verder de 3D-honingraatachtige structuur, die consistent is met de morfologie die wordt gepresenteerd in de SEM-afbeeldingen. Bovendien zijn de verdunde lagen van rGO-nanobladen van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet kan duidelijk worden waargenomen in de TEM-afbeelding die wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1d. De ultrafijne SnS₂ QD's met een grootte van enkele nanometers worden verdeeld binnen de 3D rGO-lagen, terwijl vergeleken Fig. 1e, f met aanvullend bestand 1:figuur S1d. Het vergrote TEM-beeld van de SnS₂ QD's getoond in Fig. 1f geven duidelijke roosterranden aan, gescheiden door 0,32 nm, wat overeenkomt met het (100) vlak van SnS₂ . De verdeling van Sn, S en C in de composiet was uniform, zoals weergegeven in Fig. 1g–j.

Schema van de fabricage van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet door sproeidrogen en zwaveling en het interface-microstructuurmodel van de SnS₂ /rGO composiet

een SEM-afbeelding van de Sn salt-GO-PS-composiet. b SEM-afbeelding van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. c Foto van een honingraatachtige structuur. d , e TEM-afbeeldingen van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. v HRTEM-beeld van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. g–j Elementaire afbeeldingsafbeeldingen van Sn-, S- en C-elementen

De XRD-patronen van rGO en de 3D SnS₂ QD's / rGO-composiet worden getoond in Fig. 2a. De rGO presenteert drie diffractiepieken bij 2θ  =-15,04 °, 26,14 ° en 44,52 °. De eerste piek behoort tot de karakteristieke piek van GO, die verder wordt geverifieerd door het volgende Raman-spectrum. De volgende twee pieken worden toegeschreven aan de (002) en (100) roostervlakken van het hexagonale grafeen (JCPDS No. 03-065-2023). De diffractiepieken van 3D SnS₂ QDs/rGO kan worden waargenomen bij 15,0°, 28,2°, 30,26°, 41,9°, 49,96°, 58,35° en 70,33°, wat overeenkomt met de kristalvlakken (001), (100), (002), (102) , (110), (200) en (113) (JCPDS nr. 23-0677) van SnS₂ , respectievelijk [24]. Vergeleken met de pure SnS₂ getoond in Aanvullend bestand 1:Figuur S2a, de relatief brede diffractiepieken van de 3D SnS₂ QD's/rGO-composiet duiden op kleinere deeltjesgroottes, die in overeenstemming zijn met de TEM-resultaten. Om de structuur van de 3D SnS₂ . verder te onderzoeken QDs / rGO-composiet, de Raman-spectra van de composiet en rGO worden verkregen in Fig. 2b. De Raman-pieken van rGO die verschenen op 1596 en 1348 cm ⁻¹ worden respectievelijk toegeschreven aan de G- en D-banden van de koolstofstructuur. Over het algemeen is de D-band relevant voor de defecten van koolstofatomen in grafietlagen, terwijl de G-band behoort tot de rektrilling van -C=C- in een 2D hexagonaal rooster. Er verscheen een veel zwakkere piek op ongeveer 309 cm ⁻¹ in de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet, wat overeenkomt met de karakteristieke piek van de A_1g modus van de SnS₂ fase [25]. Bovendien werd de D-band waargenomen op 1349 cm ⁻¹ en de G-band waargenomen op 1587 cm ⁻¹ behoorde tot 3D SnS₂ QD's/rGO [26]. Terwijl de SnS₂ de vermindering van GO kan beïnvloeden en de vermindering ervan kan belemmeren, vertoont de composiet een iets hogere intensiteit in D-piek dan rGO [27]. Een dergelijk resultaat kan ook de piek verklaren die verschijnt bij 2θ = 15,04° in XRD-patronen. Om het BET-oppervlak en de poriegrootte te onderzoeken, de interne porositeit en microstructuur van de als voorbereide 3D SnS₂ QD's/rGO-composiet worden gemeten door stikstofadsorptie-desorptiemetingen. De opmerkelijke hysteresislussen van N₂ adsorptie-desorptie-isothermen getoond in figuur 2c kunnen worden toegewezen aan de type IV-lus, die de standaard nanoporeuze structuur van de composiet aantoont. Het specifieke oppervlak van het composiet wordt berekend op 21,99 m ² g ⁻¹ door een multi-point BET-methode te gebruiken volgens de adsorptietak van de isotherm. Als gevolg hiervan is de 3D SnS₂ QD's/rGO-composiet met een dergelijke poriestructuur kan voor meer actieve plaatsen zorgen en is bevorderlijk voor de iondiffusie in het laad-/ontlaadproces [28, 29].

een XRD-patroon en b Raman-spectra van de rGO en 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. c N₂ adsorptie-desorptie-isothermen en de bijbehorende poriegrootteverdelingen van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet. XPS-spectra met hoge resolutie van d Sn 3d, e S 2p en f C 1 s van de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet

De chemische samenstelling van het oppervlak en de oxidatietoestand van het composiet worden geanalyseerd door het XPS-systeem. In Fig. 2d worden de twee prominente pieken bij 487,3 en 495,7 eV toegeschreven aan Sn 3d_3/2 en Sn 3d_5/2 , respectievelijk. Het energieverschil tussen Sn 3d_5/2 en Sn 3d_3/2 is 8,4 eV, wat de Sn ⁴⁺ . aangeeft oxidatietoestand [30]. Het survey XPS S 2p-spectrum wordt weergegeven in Fig. 2e. De karakteristieke pieken die verschijnen bij 161.3 en 163.4 eV worden toegeschreven aan S 2p_3/2 en S 2p_1/2 voor S ²⁻ in SnS₂ [27, 31]. Het XPS-spectrum van C 1s getoond in figuur 2f kan worden aangepast en opgesplitst in drie verschillende pieken van respectievelijk 284,7, 285,7 en 288,1 eV. De drie pieken behoorden respectievelijk tot de C-C-, C-O- en C=O-bindingen [25, 32].

Het massapercentage van SnS₂ in 3D SnS₂ QDs / rGO-composiet werd uitgevoerd door TGA van 30 tot 800 ° C bij een verwarmingssnelheid van 10 ° C / min in lucht. In Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4a, de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet was volledig geoxideerd tot SnO₂ boven 800 °C, wat een totaal gewichtsverlies van ongeveer 29,5% oplevert. Het proces van gewichtsverlies omvatte drie processen, namelijk de desorptie van watermoleculen (1,4%) geadsorbeerd op de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet, oxidatie van SnS₂ , en het achtereenvolgens verbranden van rGO. De gewichtspercentages van SnS₂ in de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet kan worden berekend op 83,7%, gebaseerd op het volledige gewichtsverlies van rGO-verbranding en het gedeeltelijke gewichtsverlies door de transformatie van SnS₂ in SnO₂ [28].

Onderzoek naar de lithiumopslagprocessen van de 3D SnS₂ QDs/rGO en de pure SnS₂ als anodematerialen voor LIB's worden hun CV-curven getest met een scansnelheid van 0,1 mV/s, zoals weergegeven in Fig. 3a, b. In figuur 3a worden de reductiepieken bij 1,0-1,5 V toegeschreven aan fase-ontleding, instorting van de structuur en vorming van een vaste elektrolytinterface (SEI) -laag. In Fig. 3b wordt de eerste reductiepiek bij 1,7 V toegewezen aan de intercalatie van Li ⁺ in de SnS₂ nanostructuur tijdens de eerste cyclus [33]. De tweede reductiepiek bij 1,1 V wordt toegeschreven aan de ontbinding van SnS₂ QD naar metallic Sn en Li₂ S (zoals getoond in reactie (1)) [34]. De derde reductiepiek onder 0,5 V geeft het uiterlijk van Li_x . aan Sn legeringen volgens reactie (2) en de Li ⁺ ingevoegd in de rGO gelaagde nanostructuur [35, 36]. Tijdens omgekeerd scannen geeft de eerste oxidatiepiek bij 0,52 V de ontlegering van Li_x aan Sn volgens reactie (2). De tweede oxidatiepiek bij 1,8 V kan worden toegeschreven aan het feit dat de Li₂ S kan gedeeltelijk ontleden en het Sn kan worden geoxideerd tot Sn ⁴⁺ (zie de omgekeerde reactie (1)) [34, 37, 38]. De reacties van de bovengenoemde zijn als volgt:

Elektrochemische prestaties van de pure SnS₂ en 3D SnS₂ QD's/rGO composietelektroden voor LIB's:a , b CV-curven van de pure SnS₂ en 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektroden met een scansnelheid van 0,1 mV/s gedurende de eerste vijf cycli. c Laad-/ontlaadcurven van de pure SnS₂ composietelektrode en d de 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektrode met een stroomdichtheid van 0,1 A/g in het spanningsbereik van 0,01–3,0 V vs. Li ⁺ /Li. e Beoordeel de prestaties van de 3D SnS₂ QDs/rGO en pure SnS₂ composietelektroden met snelheden van 0,1 tot 1 A/g. v Vergelijking van elektrochemische prestaties tussen de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet (de huidige studie) en eerder gerapporteerde SnS₂ -gebaseerd materiaalcomposiet. g Fietsprestaties van 3D SnS₂ QDs/rGO en pure SnS₂ composietelektroden met een stroomdichtheid van 0,1 A/g. u Fietsprestaties en Coulomb-efficiëntie van 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektrode met een stroomdichtheid van 0,5 A/g

Merk op dat de intensiteiten van de reductiepieken van SnS₂ drastisch afnemen in de tweede en vijfde scan. Daarentegen zijn de reductiepieken van de 3D SnS₂ De QD's/rGO-elektrode overlappen elkaar perfect in de tweede en vijfde scan, wat de uitstekende elektrochemische omkeerbaarheid en stabiliteit suggereert.

Galvanostatische ladings-/ontladingsmetingen van de zuivere SnS₂ en 3D SnS₂ QDs/rGO-elektroden worden ook uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 0,1 A/g tussen 0,01 en 3,00 V vs Li ⁺ /Li. De laad- / ontlaadcurven (1e, 2e, 50e en 200e cycli) worden respectievelijk getoond in Fig. 3c, d. In Fig. 3c, de laad-/ontlaadcurve van de zuivere SnS₂ elektrode vertoont een drastische afname tot 16 mAh/g na de 200e cyclus. In Fig. 3d, de initiële ontladingscapaciteit voor de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode is 1400 mAh/g. Het is hoger dan de theoretische opslagcapaciteit van Li ⁺ (1231 mAh/g) van SnS₂ berekend uit beide reacties (1) en (2) volgens de vergelijking van Faraday. Dit wordt toegeschreven aan de vorming van een SEI-laag op het oppervlak van de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode veroorzaakt door de onomkeerbare insertie van Li ⁺ en de ontleding van de elektrolyt [3]. Bij het verhogen van de cycli naar 2, 50 en 200, worden de capaciteiten van de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode wordt op respectievelijk 975, 867 en 870 mAh/g gehouden. Het is duidelijk dat de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode heeft een uitstekende laad-/ontlaadstabiliteit en een lange levensduur dan de pure SnS₂ elektrode.

De snelheidsprestaties van de elektroden worden weergegeven in Fig. 3e. Het is te zien dat de ontlaadcapaciteit met een snelheid van 0,1, 0,2, 0,5 en 1 A/g respectievelijk 870, 770, 622 en 452 mAh/g is. Daarna keert het gemakkelijk terug naar 867 mAh/g bij 0,1 A/g, wat aangeeft dat de 3D SnS₂ QD's/rGO-composiet is bestand tegen geleidelijke snelheidsvariaties en bezit een opmerkelijke elektrochemische stabiliteit en omkeerbaarheid. Terwijl de pure SnS₂ De capaciteit van de elektrode neemt af tot 792, 587, 319 en 106 mAh/g, waarbij de ontladings-/oplaadsnelheden worden verhoogd tot respectievelijk 0,1, 0,2, 0,5 en 1 A/g. En het herstelt alleen naar 662 mAh/g wanneer de ontlaad-/oplaadsnelheid is hersteld tot 0,1 A/g. De uitstekende elektrochemische prestaties van 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektroden worden verder weergegeven in Fig. 3g. De capaciteit van de pure SnS₂ elektrode neemt drastisch af tot bijna 16 mA/g na 200 cycli, terwijl de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode kan na 200 cycli nog steeds een waarde van 870 mAh/g behouden bij een stroomdichtheid van 0,1 A/g. Bovendien wordt in Fig. 3h de test uitgevoerd om de betere fietsprestaties van de composiet aan te tonen bij een scansnelheid van 0,5 A/g. Na 200 laad-/ontlaadcycli bleef een hoge omkeerbare capaciteit van 622 mAh/g over en de gemiddelde Coulomb-efficiëntie is maar liefst 99,44%.

Om de langere levensduur van de 3D SnS₂ . beter te begrijpen QDs/rGO-elektrode, wordt een TEM-beeld verkregen om de verdeling van de SnS₂ te bewijzen QD's (in aanvullend bestand 1:figuur S3, door 100 representatieve deeltjes te meten met behulp van de Nano-Measure-software). De SnS₂ QD's met ~ 6 nm zijn bijna gelijkmatig verankerd en beperkt binnen de rGO-lagen, wat wijst op een sterke adsorptie tussen SnS₂ QD's en de rGO-lagen. Over het algemeen tonen de resultaten van zowel de elektrochemische test als de deeltjesverdeling aan dat de introductie van rGO en het 3D-honingraatachtige netwerk overvloedige lege ruimtes biedt voor volume-expansie van SnS₂ QD's. Deze structuren fungeren als kanalen voor snel transport van elektronen langs alle drie de richtingen en beperken effectief de aggregatie. Zo worden de snelheidsprestaties en fietsstabiliteit van de composiet verbeterd. Afbeelding 3f toont een vergelijking van de elektrochemische prestaties tussen de 3D SnS₂ QDs/rGO-composiet (de huidige studie) en de eerder gerapporteerde SnS₂ -gebaseerde materialen composiet. Opgemerkt kan worden dat de capaciteit van 3D SnS₂ QDs/rGO in ons onderzoek blijft 862 mAh/g LIB bij 0,1 A/g na 200 cycli, wat hoger is dan de andere rGO en SnS₂ -gebaseerd materiaal, zoals grafeen-SnS₂ hybriden [39], acetyleen zwart-SnS₂ [40], SnS₂ @gereduceerd grafeenoxide [41], mesoporeuze koolstof verankerd met SnS₂ nanosheets [42], grafeen-SnS₂ [43], SnS₂ met nanodeeltjes geladen grafeem [44], SnS₂ @graphene [5] en Ultrathin SnS₂ nanodeeltjes op grafeen nanosheets [45].

Onderzoek naar de natriumopslagprocessen van 3D SnS₂ QDs/rGO en pure SnS₂ als anodemateriaal voor SIB's wordt cyclische voltammetrie uitgevoerd met een scansnelheid van 0,1 mV/s tussen 0,01 en 3,00 V vs Na ⁺ /Na, zoals weergegeven in Fig. 4a, b. In figuur 4a komt de reductiepiek bij 0,3-1,0 V overeen met de conversie, legeringsreacties (Vgl. (4) en (5)) en de vorming van de SEI-laag in de eerste cyclus. In figuur 4b komt de vrij brede piek bij ~-1,0 V in het eerste reductieproces overeen met de insertie van Na ⁺ in de SnS₂ lagen (analoog aan die van Li-intercalatie) volgens Vgl. (3) [46, 47]:

$$ \mathrm{Sn}{\mathrm{S}}_2+\mathrm{x}\ {\mathrm{Na}}^{+}+{\mathrm{x}\mathrm{e}}^{-}\ naar {\mathrm{Na}}_{\mathrm{x}}\mathrm{Sn}{\mathrm{S}}_2 $$ (3) $$ {\mathrm{Na}}_{\mathrm{x} }\mathrm{Sn}{\mathrm{S}}_2+\left(4-\mathrm{x}\right){\mathrm{Na}}^{+}+\left(4-\mathrm{x}\ rechts){\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Sn}+2{\mathrm{Na}}_2\mathrm{S} $$ (4) $$ \mathrm{Sn}+\mathrm {x}{\mathrm{Na}}^{+}+\mathrm{x}{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{Na}}_{\mathrm{x}}\mathrm {Sn} $$ (5)

Elektrochemische prestaties van de pure SnS₂ en 3D SnS₂ QDs/rGO composiet elektroden voor SIBs. een , b CV-curven van de pure SnS₂ elektrode en 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektrode met een scansnelheid van 0,1 mV/s gedurende de eerste vijf cycli. c Laad-/ontlaadcurven van de pure SnS₂ composietelektrode en d de 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektrode met een stroomdichtheid van 0,1 A/g in het spanningsbereik van 0,01–3,0 V vs. Na ⁺ /Na. e Beoordeel de prestaties van 3D SnS₂ QDs/rGO en de pure SnS₂ composietelektrode met snelheden van 0,1 tot 5 A/g. v Fietsprestaties van 3D SnS₂ QDs/rGO-composietelektrode en de pure SnS₂ elektrode met een stroomdichtheid van 0,5 A/g. g CV-curven van 3D SnS₂ QDs/rGO composietelektrode bij verschillende scansnelheden. u Capacitieve bijdrage bij de scansnelheid van 1 mV/s. ik Bijdrageverhouding van de capacitieve en diffusiegestuurde lading versus verschillende scansnelheden

Bij reverse scanning worden de onopvallende oxidatiepieken bij 0,35, 1,2 en 2,25 V toegeschreven aan de desodiatie van Na_x sn. De voor de hand liggende oxidatiepiek bij 1,2 V behoort tot de veerkracht van de initiële 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode [25]. Merk op dat de daaropvolgende CV-scans van 3D SnS₂ QD's/rGO overlappen elkaar ruim na de eerste cyclus, wat wijst op een goede omkeerbaarheid ervan voor de sodiatie- en desodiatiereacties.

De ontlaad-laadspanningsprofielen van de pure SnS₂ en 3D SnS₂ QDs/rGO-elektroden worden uitgevoerd tussen 0,01 en 3 V bij een stroomdichtheid van 0,1 A/g. De corresponderende laad-/ontlaadprofielen (1e, 2e en 5e cyclus) worden respectievelijk getoond in Fig. 4c, d, die in overeenstemming zijn met de CV-resultaten. In figuur 4c verschijnt een opmerkelijk plateau bij ~-1,0 V in het ontladingsproces, behorend bij de vorming van Na_x SnS₂ . Het plateau bij 0,5-1,0 V wordt toegeschreven aan de omzetting, terwijl dat onder 0,5 V wordt toegeschreven aan de legeringsreacties tussen Na ⁺ en Sn. Vervolgens de CV-curve van de 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode (Fig. 4d) geeft aan dat de onopvallende plateauspanning bij ~-1,0 V is toegewezen aan de intercalatie van Na ⁺ in SnS₂ lagen tijdens het eerste ontladingsproces en deze reactie wordt uitgedrukt als Vgl. (3). Het hellingsplateau bij 0,3–1,0 V komt overeen met de conversiereactie (Vgl. (4)), de vorming van de SEI-laag door de onomkeerbare insertie van Na ⁺ en de ontleding van het elektrolyt. Het plateau onder 0,3 V komt overeen met de legeringsreactie (Vgl. (5)) [48,49,50]. De elektrode toont een plateau bij ~-1,0 V en een hellingsplateau bij ~-1,6 V in het laadproces, die ook in overeenstemming zijn met de CV-resultaten.

De snelheidscapaciteit van de pure SnS₂ en 3D SnS₂ QDs/rGO-elektroden van 0,1 tot 5 A/g in de SIB-test worden gegeven in Fig. 4e. De 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode is in vergelijking opmerkelijk superieur. Het is te zien dat de ontladingscapaciteiten met een snelheid van 0,1, 0,5, 1 en 5 A/g respectievelijk 397, 286, 213 en 95 mAh/g zijn, en dan gemakkelijk terugkeren naar 393 mAh/g bij 0,1 A /G. Maar voor de pure SnS₂ elektrode, neemt de ontladingscapaciteit af tot 180, 59, 25 en 11 mAh/g, terwijl de ontladingssnelheid wordt verhoogd tot respectievelijk 0,1, 0,5, 1 en 5 A/g. Dan komt de ontlaadcapaciteit pas weer op 102 mAh/g als de ontlaadsnelheid weer op 0,1 A/g komt. De 3D SnS₂ QDs/rGO-elektrode vertoont kleine veranderingen in ontladingscapaciteit na ontlading bij verschillende stroomdichtheden, wat wijst op een betere veerkracht van de nanostructuur. Het is duidelijk dat de unieke 3D-honingraatachtige structuur Na ⁺ . mogelijk maakt transport met hoge stroomdichtheid zonder veel onomkeerbare veranderingen van de nanostructuur van de elektrode te veroorzaken, wat resulteert in uitstekende prestaties in SIB's. De ontlaadcapaciteit van de pure SnS₂ electrode retains only 6 mAh/g after 200 cycles at a scan rate of 0.5 A/g, which is significantly lower than that 233 mAh/g in the 3D SnS₂ QDs/rGO electrode, as presented in Fig. 4f. A serious capacity decay of the pure SnS₂ electrode can result from the low electronic conductivity of the unsupported SnS₂ and the uncontrollable aggregations of Sn (or its discharge products) during the cycling. Thus, the outstanding electrochemical performance of the electrode corresponds to the 3D honeycomb-like structure. The existing porous in the structure can efficiently adjust the volume change in the process of alloying and de-alloying.

To better understand the charge storage process, the CV curves at various scan rates (0.1–1 mV/s) are performed to understand the electrochemical process (Fig. 4g). A peak shift appears with the scanning rate rising from 0.1 to 1 mV/s, indicating the polarization of the electrode. The capacity contribution from capacitive and diffusion-controlled charge can be quantified according to the relation [51] i (V) = k₁ v + k₂ v ^1/2 , where k₁ v and k₂ v ^1/2 are the contributions from the capacitive and diffusion-controlled processes, respectively. From Fig. 4h, it can be observed that the capacitance-controlled capacity accounts for 76.1% of the total charge storage at a scan rate of 1 mV/s. With the scan rate increases in the order of 0.1, 0.3, 0.6, 0.7, and 1 mV/s, the proportion of the capacitance-controlled process increases from 67.4, 70.3, 73.2, 75.7, to 76.1%, respectively (Fig. 4i). The result indicates that the capacitive charge storage plays an important role in the total capacity of the electrode [52]. However, the relative rapid capacity decreases at higher scan rate is attributed to the diffusion-limited electrochemical energy conversion process [53].

The structural advantages of the 3D SnS₂ QDs/rGO composite in LIBs and SIBs can be summarized as follows (Fig. 5):(i) the 3D structure can buffer the volume expansion and inhibit the agglomeration of SnS₂ QDs during the charge/discharge process. (ii) The 3D honeycomb-like porous structure can provide sufficient space for electrolyte storage. (iii) The 3D interconnected network is beneficial for enhancing electron conductivity and allowing the electron to transfer quickly in the continuous paths. (iv) The SnS₂ QDs with a particle size about ~ 6 nm can shorten the diffusion distance of Li ⁺ /Na ⁺ , resulting in good electrochemical performance.

Schematic illustration highlights the structural benefits of the 3D SnS₂ QDs/rGO composite during the charge/discharge process

Conclusies

A novel 3D honeycomb-like SnS₂ QDs/rGO composite was synthesized by one-pot spray drying and sulfidation. The SnS₂ QDs (~ 6 nm) was uniformly distributed in the rGO layers. The thicknesses of the rGO sheets could be regulated by changing the concentration of GO in the spray solution. What is more, the size of the rGO nanovoids could be easily adjusted by using different size of the PS nanospheres. The 3D honeycomb-like rGO could not only buffer the volume expansion of the SnS₂ QDs but also enhance their poor electrical conductivity. In addition, it can provide enough space for electrolyte reservoirs. As a result, the retention of the reversible capacity of the 3D SnS₂ QDs/rGO electrode for LIB at 0.1 A/g was nearly 862 mAh/g and the capacity was as high as 622 mAh/g after 200 cycles at 0.5 A/g. Moreover, a capacity of 233 mAh/g could be delivered after 200 cycles at 0.5 A/g in the SIB test. The novel 3D honeycomb-like SnS₂ QDs/rGO composite suggested a new strategy for preparing anode material in LIBs and SIBs. This advanced anode materials is predicable to have a significant influence on the energy storage field, and thus, provide fresh opportunities to enhance the electrochemical performance of Li ⁺ and Na ⁺ storage devices.

Afkortingen

3D SnS₂ QDs/rGO:

3D Honeycomb-like SnS₂ Quantum Dots/rGO

3D:

Driedimensionaal

BET:

The Brunauer–Emmett–Teller

CV:

Cyclische voltammetrie

DEC:

Diethyl carbonate

EC:

Ethylene carbonate

GO:

Grafeenoxide

LIB's:

Lithium-ionbatterijen

PS:

Polystyreen

SEI:

Solid electrolyte interface

SEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscoop

SIB's:

Sodium-ion batteries

TEM:

Transmissie elektronenmicroscoop

TGA:

Thermogravimetrische analysator

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie