The Lithium Storage Performance of Biochar-Loaded Metal Selenide Composite Material
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摘要: 通过高温对膨化大米进行炭化处理得到米炭(Puffed Rice Carbon, PRC)，以米炭(作为生物炭)和商业Sn、Se粉为原材料，采用高能球磨法在氩气保护气氛中球磨48 h，制备了SnSe/PRC锂离子电池负极材料.用X射线衍射、扫描电子显微镜(含能谱分析)、恒流充放电测试、循环伏安法和电化学阻抗谱等技术对材料进行结构、形貌表征和电化学性能测试.结果表明：在高能机械力作用下，米炭与Sn、Se相互挤压形成合金/碳复合镶嵌结构，提升了体系的导电性能，缓冲了材料的体积膨胀效应，改善了纯合金相的结构稳定性.在电流密度500 mA/g、电压范围0.01~3.00 V条件下进行充放电循环，SnSe/PRC的首次放电比容量较高(704.00 mAh/g)，经50次充放电循环后比容量稳定保持在608.90 mAh/g.该材料还具有良好的倍率性能，在较大电流密度下容量仍保持稳定，当恢复至初始电流密度时，容量能恢复到原有水平.利用环境友好且易制得的生物炭材料能有效地改善了SnSe的储锂性能，对金属硒化物在锂离子电池方面的应用有很好的参考价值.Abstract: Puffed rice carbon was obtained by carbonizing puffed rice at high temperature. Puffed rice carbon (used as biochar) and commercial Sn and Se powder were used to design SnSe/PRC anodes for lithium ion batteries with a high-energy ball grinding method under inert argon atmosphere with 600 r/m for 48 hours. The structure, morphology and electrochemical property of the materials were characterized with X-ray diffraction, scanning electron microscopy (including energy dispersive spectrometer), galvanostatical cycling tests, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Under the action of high energy mechanical force, puffed rice carbon, Sn and Se powder extruded each other to form an alloy/carbon inlaid structure, which improved the electrical conductivity, buffered the large volume expansion effect and improved the structural stability. When cycled at a current density of 500 mA/g in 0.01~3.00 V, SnSe/PRC presented a high initial discharge capacity of 703.9 mAh/g and retained a stable capacity of 608.9 mAh/g after 50 cycles. It also had a good rate performance. Its capacity remained stable under high current densities. When the initial current density was restored, the capacity returned to the initial level. The research shows that the utilization of this environment-friendly and facile biochar can effectively improve the lithium storage performance of SnSe, which has a good reference value for the application of metal selenide in the lithium ion battery.
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Keywords:
- lithium ion battery /
- SnSe /
- puffed rice carbon /
- anodes /
- high stability
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当前，锂离子电池因具有高的能量密度、极佳的循环稳定性以及对环境友好等优点在各种能量储存设备中备受青睐[1-4].为了满足日益增长的储能和长寿命使用的要求，寻找合适的高能量密度的电极材料一直是下一代高性能锂离子电池研究的关键问题. SnSe具有很高的理论容量(1 266 mA/g)，是非常有潜质的锂离子电池负极材料，在锂离子电池领域逐渐受到关注并成为研究热点[5-8].但是SnSe本身导电性较差，在充电过程中容易发生微粒团聚和体积变化，因而将其直接用于锂离子电极材料时其电化学性能不佳.通常，用化学性质稳定的碳材料对合金相进行包覆或者掺杂，以缓冲体系在充放电过程中因膨胀、团聚引起的机械应力，并增强其导电性从而改善SnSe的循环稳定性[9-11].
本文以商业Sn、Se粉和绿色环保、易制备的生物炭(米炭，Puffed Rice Carbon, PRC)为原材料，采用高能球磨法制备SnSe/PRC锂离子电池负极材料，该材料呈现出较高的储锂容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能.这种优良的储锂性能归因于Sn、Se与米炭在高能球磨下相互磨合挤压形成的合金/碳复合镶嵌结构，它提升了材料的导电性能并缓冲了体积膨胀效应与团聚现象.
1. 实验部分
1.1 试剂与仪器
主要试剂与用品：Sn粉(99.9%, 天津市科密欧化学试剂有限公司)、Se粉(99.99%, 萨恩化学技术有限公司)、铜箔(9 cm×200 cm，上海松静新能源科技有限公司)、多孔聚丙烯薄膜(Celgard2300，美国)、金属锂片(p-4，天津中能锂业有限公司)、锂离子电池电解液(TC-E282-55，广州天赐高新材料股份有限公司).
主要仪器：手套箱(MBC-Labstar1800/780, 上海布劳恩)、高能球磨机(QM-QX 0.4, 南京南大仪器有限公司)、X射线粉末衍射仪(BRUKERD 8 ADVANCE X, 日本岛津)、场发射扫描电子显微镜(ZEISS Gemini 500, 德国)、电池测试系统(CT-3008-5V5mA-S4, 深圳新威)、多通道电化学测试系统(SOLARTRON 1470E, 英国).
1.2 米炭的制备
将膨化大米置于管式炉中，在氮气氛围的保护下，以1 ℃/min的升温速率升温到350 ℃，并在该温度下保持4 h.再以1 ℃/min的速率升温至850 ℃，并在该温度下保持1.5 h.最后自然降温到室温，获得米炭.
1.3 SnSe/PRC复合电极的制备
将1.187 1 g单质Sn粉、0.789 6 g单质Se粉和0.395 3 g米炭加入不锈钢球磨罐中，球料质量比为20:1.此步骤在手套箱中完成装配以避免氧化.封装后取出，将其置于高能球磨机中，在转速600 r/min下球磨48 h，获得SnSe/PRC复合物.此外，在球磨过程中不添加米炭以合成纯SnSe相作为对照.
1.4 材料表征与电化学性能测试
采用X射线粉末衍射(XRD)谱分析材料的物相；采用场发射扫描电子显微镜(SEM, 含EDS能谱分析)表征材料的微观形貌并分析元素的分布情况.将活性物质(SnSe/PRC或SnSe)、导电碳和海藻酸钠按照质量比7:2:1加入到去离子水中调成浆料，使用涂布机均匀涂在铜箔上，干燥12 h，然后用切片机剪切成直径为18 mm的小圆片作为工作电极.在组装电池过程中，以为金属锂片为对电极、多孔聚丙烯薄膜为隔膜，1.0 mol/L LiPF6溶液为电解液.电解液中溶剂为添加了5%(体积分数)氟代碳酸乙烯酯(FEC)的碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)(体积比为1:1)的混合液.整个装配过程在充满氩气的手套箱中完成，最终装配成LIR2430型扣式电池.
用电池测试系统对电池进行恒电流充放电循环测试，电压测试范围为0.01~3.00 V，电流密度为500 mA/g.并使用多通道电化学测试系统对电池进行电化学阻抗及循环伏安测试，测试电压范围为0.01~3.00 V，频率范围为0.01~105 Hz.上述所有电化学测试均在温室(25 ℃)下完成.
2. 结果与讨论
2.1 物相组成与形貌分析
高能球磨法制备的纯SnSe和SnSe/PRC样品的XRD谱如图 1所示，SnSe和SnSe/PRC的衍射峰均与正交晶系SnSe的标准卡片(JCPDS No. 32-1382)一致.在2θ为25.2°、30.4°、37.2°、43.3°和49.6°的特征衍射峰分别对应于SnSe相的(201)、(111)、(311)、(020)和(511)晶面.图谱中未观测到单质Sn、Se及其他氧化物杂质峰，表明在高能机械球磨作用下Sn与Se之间充分化合生成合金硒化物相.同时，当体系中掺入米炭后，SnSe/PRC样品的特征角度与纯SnSe的基本一致，但其特征衍射峰出现明显的宽化趋势.使用德拜-谢乐公式对两样品在30.4°的特征衍射峰计算可得，SnSe的晶粒粒径为11.66 nm，SnSe/PRC的晶粒粒径为10.22 nm.即加入米炭后晶粒变小，这与高能机械剪切力作用下，合金相与生物炭材料相互作用，逐步细化组织形成纳米晶结构有关.细化的晶粒电化学活性高、离子扩散快，有利于改善材料的循环稳定性.
图 2A、B分别为膨化大米的实物和其炭化后的粉末照片. SnSe/PRC的微观形貌如图 2C所示，分析可知，在高能机械力的快速研磨作用下Sn、Se和PRC相互之间反复碰撞、形变和切割，最终生成细小的颗粒，该形貌能使活性材料与电解液接触更充分，有利于增强锂离子的传递能力，从而提高电极材料的电化学性能[12]. 图 3A所示为SnSe/PRC局部区域的微观形貌，图 3B~D则为对应区域的EDS (Energy Dispersive Spectrometer)能谱元素分布情况.由图可知，在巨大的机械能作用下，形成的SnSe合金相钉扎在软的米炭颗粒上，形成表面镶嵌状复合物.其中的米炭为电子提供优良的传输通道，使电极材料的导电性能得到提高，有利于实现较大电流下的快速充放电.
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图 2 膨化大米炭化前后的照片以及SnSe/PRC的SEM图Figure 2. The images of puffed rice before and after carbonization and the scanning electron microscope image of SnSe/PRC2.2 电化学性能分析
图 4为SnSe/PRC的前3次循环伏安曲线，其中电压范围为0.01~3.00 V，扫描速率为0.2 mV/s.在1.70 V附近出现明显的还原峰，并在随后的循环曲线中消失，这对应于首次嵌锂过程中SnSe生成单质Sn、Li2Se以及形成SEI膜的不可逆反应.在0.13 V和1.25 V附近分别出现还原峰，对应于Li与Sn的合金化反应.而在0.60 V和1.80 V附近出现的氧化峰分别对应于上述嵌锂过程的逆反应.在首次循环伏安曲线中1.25 V附近的还原峰在随后循环中偏移至1.30 V, 这是由于嵌锂脱锂后材料的成分以及结构发生了变化.图中SnSe/PRC的第二、第三次循环曲线形状一致并能较好地重叠在一起，说明材料的成分结构不再发生变化，表明材料具有优良的循环稳定性.复合物的脱嵌锂反应式如下[13].
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图 4 SnSe/PRC的前3次循环伏安曲线Figure 4. The first three cyclic voltammetry curves of SnSe/PRC放电过程：
SnSe+2Li++2e−→Li2Se+SnSn+xLi++2e−→LixSn(0≤x≤4.4) 充电过程：
LxSn→Sn+xLi++2e−(0≤x≤4.4)Li2Se+Sn→SnSe+2Li++2e− 纯SnSe与SnSe/PRC前3次充放电曲线如图 5所示，其中电流密度为500 mA/g，电压范围为0.01~3.00 V.在1.25 V附近，纯SnSe与SnSe/PRC均有首次放电特有的放电平台，这是由于SnSe与Li+反应生成单质Sn、Li2Se以及SEI膜而形成的，也与上述CV曲线1.25 V附近的还原峰相对应[14].在首次充放电循环中，SnSe/PRC的放电和充电比容量分别为704.00、403.18 mAh/g，库伦效率为57.27%.在首次充放电中，比容量的损失与SnSe/PRC的SEI膜形成以及脱嵌锂过程中的体积变化有关[15].在第二次充放电循环中，SnSe/PRC的放电和充电比容量分别为780.04、649.84 mAh/g，库伦效率上升为83.30%；在第三次充放电循环中，SnSe/PRC的放电和充电比容量分别为725.74、649.83 mAh/g，库伦效率提升至89.54%.这表明经过初始的3次循环后，SnSe/PRC的库伦效率迅速升高、电极趋于稳定.由图 5可知，SnSe/PRC充放电曲线的重合度明显比SnSe的高，表明SnSe/PRC镶嵌结构比纯SnSe具有更强的结构稳定性.
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图 5 SnSe和SnSe/PRC的前3次充放电曲线Figure 5. The first three charge-discharge curves of SnSe and SnSe/PRC在电流密度为500 mA/g、电压范围为0.01~3.00 V条件下测试SnSe与SnSe/PRC的充放电循环曲线(图 6)，SnSe的首次放电比容量为1 004.78 mAh/g，但从充放电曲线可以明显看出其比容量在大幅度下降，经过50次充放电循环后放电比容量为342.16 mA/g，仅保留了首次容量的34.05%，这表明其循环稳定性极差. SnSe/PRC的首次放电比容量为704.00 mAh/g，经过50次充放电循环后放电比容量为608.90 mAh/g，保留了首次容量的86.49%，并在第二次以后的每次循环中库伦效率均保持着在90%以上.因此，在充放电循环过程中，SnSe/PRC的容量衰减速率比纯SnSe的缓慢得多，有更佳的循环稳定性.
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图 6 SnSe与SnSe/PRC的循环充放电曲线Figure 6. The cyclic charge-discharge curves of SnSe and SnSe/PRCSnSe与SnSe/PRC的倍率性能测试结果如图 7所示.在100、300、500、700和1 000 mA/g的电流密度下进行充放电测试，SnSe/PRC的放电比容量分别为780.83、693.25、652.02、622.21和593.11 mAh/g；SnSe的放电比容量分别为791.13、666.37、589.64、541.84和495.70 mAh/g.由此可知，纯SnSe在大电流下的放电比容量急剧下降; 当电流密度恢复到100 mA/g时, 放电比容量为570.70 mAh/g，仅为首次放电比容量的39.9%.而SnSe/PRC在不同电流密度下的放电比容量均比较稳定，当电流密度恢复到100 mA/g时，放电比容量恢复至起始水平(732.28 mAh/g).该结果表明：SnSe/PRC表现出优秀的倍率性能，这是由于作为基底的米炭在电极中缓冲了充放电过程中SnSe的体积膨胀，最终提高了材料的导电性能[16].
SnSe与SnSe/PRC的电化学阻抗谱(EIS)如图 8所示.这2种电极材料的电化学阻抗谱样式一致，都在高频处有半圆和在低频处有斜线.其中处于高频部分的半圆表示电极的电荷转移阻抗(Rct)，而处于低频的斜线则表示电极的锂离子扩散阻抗(Zw)[17-18].由图可知，SnSe/PRC电极的Rct明显低于纯SnSe电极的情况.这是由于球磨过程中加入的米炭使材料颗粒得以细化、更充分地与电解液接触，并作为基底提供更多更优的传输通道给电子，从而提高了材料的导电性，增强了电极的电化学性能.
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图 8 SnSe与SnSe/PRC的电化学阻抗谱Figure 8. The electrochemical impedance spectroscopy of SnSe and SnSe/PRC3. 结论
对膨化大米进行高温炭化制备了一种新型生物炭材料米炭.以米炭和单质Sn、Se粉为原材料，采用高能球磨法制备了SnSe/PRC锂离子电池负极材料，并对其进行了物相分析、形貌表征以及电化学性能测试.从SnSe/PRC的微观结构可以看出，高能球磨的巨大机械力使SnSe合金相钉扎在软的米炭颗粒上，形成合金/碳镶嵌复合物.由SnSe与SnSe/PRC的电化学性能测试结果可知，该复合物具有更稳定的循环性能和更好的倍率性能.这是由于作为基底的米炭能有效地增强电极材料的导电性，在充放电过程中缓解SnSe的团聚问题以及减小体积变化.该生物炭材料对环境友好且易制取，能有效增强锂离子负极材料SnSe的电化学性能，对探究改善金属硒化物的储锂性能方面的研究有很好的参考价值.
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图 2 膨化大米炭化前后的照片以及SnSe/PRC的SEM图
Figure 2. The images of puffed rice before and after carbonization and the scanning electron microscope image of SnSe/PRC
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图 4 SnSe/PRC的前3次循环伏安曲线
Figure 4. The first three cyclic voltammetry curves of SnSe/PRC
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图 5 SnSe和SnSe/PRC的前3次充放电曲线
Figure 5. The first three charge-discharge curves of SnSe and SnSe/PRC
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图 6 SnSe与SnSe/PRC的循环充放电曲线
Figure 6. The cyclic charge-discharge curves of SnSe and SnSe/PRC
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