Effets du recuit sur les propriétés électrochimiques des nanomatériaux d'anode Cu2SnS3 synthétisés par solvothermie

Introduction

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques et les appareils électroniques portables, mais elles nécessitent des améliorations supplémentaires de paramètres tels que la densité énergétique, la durée de vie, la densité de puissance, la sécurité et la compatibilité environnementale [1,2,3,4,5,6 ,7,8,9]. La densité énergétique est l'un des paramètres les plus essentiels car elle détermine l'endurance kilométrique d'un véhicule électrique. Les batteries lithium-ion conventionnelles sont limitées par la capacité spécifique de l'anode en graphite commerciale (LiC₆ , 372 mAh g ⁻¹ ). Par conséquent, il est essentiel de rechercher des anodes avec des capacités spécifiques élevées pour améliorer la densité énergétique des batteries lithium-ion. À cet égard, les matériaux d'anode à base de Sn ont attiré l'attention en raison de leurs capacités spécifiques élevées (Li_4.4 Sn, ~ 993 mAh g ^–1 ) [10,11,12,13,14]. Cependant, les matériaux présentent des conductivités médiocres et des expansions volumiques importantes (jusqu'à 300 %) [15,16,17], provoquant des taux faibles et de faibles stabilités de cyclage. Diverses stratégies ont été explorées pour améliorer les propriétés électrochimiques des matériaux anodiques à base de Sn [18,19,20,21]. Les éléments inertes et non inertes introduits pour former des matériaux composites à base de Sn peuvent fonctionner comme une matrice tampon pour l'expansion volumique, améliorant ainsi la stabilité structurelle et cyclable du matériau. Les éléments inertes qui sont souvent utilisés pour former des composites à base de Sn incluent Ni, Co, Mn et Cu [22,23,24,25,26,27], et les éléments non inertes incluent Sb, Ge, etc. [28,29,30]. La nanomérisation des matériaux d'électrode peut non seulement inhiber efficacement les changements de volume pendant le cycle de la batterie et libérer la contrainte interne du matériau, améliorant ainsi sa stabilité structurelle, mais peut également augmenter la surface spécifique de l'électrode, ce qui favorise des réactions rapides à l'interface de l'électrode. De plus, la nanomérisation permet de réduire considérablement la distance de diffusion des ions lithium dans le matériau actif, ce qui réduit le phénomène de polarisation de l'électrode et améliore les performances de débit de la batterie lithium-ion. Cai et Li ont rapporté que les nanotiges SnS poreuses/la nanostructure hybride de carbone présentaient une capacité réversible et des performances de cyclage améliorées [31]. Les composites 3D creux CoS@PCP/CNTs construits à partir de nanoparticules de sulfure de cobalt stabilisées par des nanotubes de carbone poreux ont présenté une capacité réversible ultra-élevée d'environ 1668 mAh g ⁻¹ dans les 100 cycles et une capacité exceptionnelle à haut débit (1038, 979, 858 et 752 mAh g ⁻¹ à des densités de courant de 1, 2, 5 et 10 A g ⁻¹ , respectivement) [32]. Cu₂ SnS₃ , en tant que matériau modifié pour les anodes à base de Sn haute capacité créées par l'introduction de Cu inerte pour former un alliage, a un grand potentiel pour les applications de batteries lithium-ion [17, 33, 34, 35]. Cu₂ SnS₃ Les matériaux de nanostructure (CTS) ont été préparés avec succès via une méthode solvothermique facile pour la batterie sodium-ion. Les électrodes CTS recuites présentent une capacité initiale réversible élevée de 447,7 mAh g ⁻¹ et bonne capacité de rétention 200,6 mAh g ⁻¹ après 50 cycles à une densité de courant de 100 mA g ⁻¹ [36]. Fu et Li ont utilisé une méthode hydrothermale facile pour préparer Cu₂ SnS₃ /Composite d'oxyde de graphène réduit (CTS/RGO) pour batteries sodium-ion. CTS/RGO présente une capacité réversible élevée de 566,8 mA h g ⁻¹ et maintient une capacité spécifique de 339,8 mA h g ⁻¹ après 100 cycles à une densité de courant constante de 100 mA g ⁻¹ [37]. Les sulfures frittés à haute température ont été largement utilisés pour améliorer les performances électrochimiques. Les effets du processus de recuit à haute température sur les performances électrochimiques des batteries lithium-ion de Cu₂ SnS₃ ont été étudiés dans cet article.

La méthode solvothermique est simple, pratique, économique et facilement évolutive, et a donc été largement utilisée pour la préparation de nanocristaux. Dans cet ouvrage, Cu₂ SnS₃ des nanoparticules pour batteries lithium-ion ont été préparées ici par la méthode solvothermique. De plus, les effets du recuit à haute température sur la morphologie, la structure cristalline et les performances électrochimiques de Cu₂ SnS₃ des nano-anodes ont été étudiées.

Section expérimentale

Préparation du matériel

CuCl₂ ⋅2H₂ O (99,9%), SnSO₄ (99,9%), de la poudre de soufre élémentaire (99,9%) et de l'éthylènediamine anhydre (99%) ont été achetés auprès de Chengdu Kelong Chemical Co.

Pour la synthèse de Cu₂ SnS₃ nanoparticules, CuCl₂ ·2H₂ O (0,682 g, 4 mmol) et SnSO₄ (0,473 g, 2,2 mmol) ont d'abord été dissous dans de l'eau désionisée sous agitation magnétique pendant 20 min. Le mélange résultant a été chargé dans un autoclave avec un récipient en Téflon de 25 ml préchargé avec une solution de poudre de soufre (0,290 g, 9 mmol) en suspension dans de l'éthylènediamine anhydre. L'autoclave hermétique a été transféré dans un four et chauffé de la température ambiante à 200 °C, maintenu pendant 24 h, puis refroidi naturellement à température ambiante. Le précipité résultant a été lavé plusieurs fois avec de l'eau désionisée et recueilli par centrifugation à 6000 tr/min pendant 3 minutes pour éliminer les sous-produits. Ensuite, le précipité résultant a été séché sous vide à 80 °C pendant 10 h avant utilisation. Le Cu₂ SnS₃ les nanoparticules ont été recuites à 540 °C pendant 40 min dans un four tubulaire qui a été aspiré et purgé avec de l'azote gazeux à un débit de 50 à 80 ml min ^–1 sous pression ambiante.

Caractérisation des matériaux

Les données de diffraction des rayons X sur poudre (XRD) ont été acquises à l'aide d'un Bruker D8 ADVANCE avec une source de rayonnement Cu-Kα (λ = 1,5418 ). La microscopie électronique à balayage (MEB) (Hitachi S3400) et la microscopie électronique à transmission (MET) (Tecnai G2-F30-S-TWIN, FEI) ont été utilisées pour étudier les microstructures du Cu₂ SnS₃ nanoparticules. La composition de l'échantillon a été analysée par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX). Spectres de photoélectrons aux rayons X (XPS) du Cu₂ SnS₃ les nanoparticules ont été obtenues à l'aide d'un spectromètre photoélectronique à rayons X (ESCALAB 250Xi, Thermo Scientific).

Assemblage de la batterie et mesures électrochimiques

Les performances électrochimiques du Cu₂ SnS₃ Les nanoparticules ont été testées avec des piles bouton de type CR2032 en utilisant du métal Li comme contre-électrode. L'anode était composée de 80 % en poids de matière active, 10 % en poids de super P et 10 % en poids de PVDF. L'électrolyte était 1 M LiPF₆ (EC:EMC:DEC = 4:2:4, vol%). Le Cu₂ SnS₃ les électrodes ont été découpées en cercles de 12 mm de diamètre. Le chargement en masse de Cu₂ SnS₃ la matière active est de 2,65 mg/cm ² . L'épaisseur du Cu₂ coulé SnS₃ l'anode est ~ 30 m, qui est déterminée par micromètre. La voltamétrie cyclique (CV) a été réalisée à 0,1 mV s ⁻¹ de 2,0 à 0,0 V à l'aide d'un potentiostat (VersaSTAT3F, Princeton Applied Research). Des tests de cyclage et de taux ont été effectués dans une unité de charge-décharge galvanostatique automatique (système de test de batterie CT-4800, Neware) entre 0,05 et 2,0 V à température ambiante. La spectroscopie d'impédance électrochimique a été réalisée à l'aide d'un potentiostat (VersaSTAT3F, Princeton Applied Research) dans une plage de fréquences de 100 kHz à 0,1 Hz.

Résultats et discussion

La figure 1 montre les modèles XRD du Cu₂ SnS₃ nanoparticules. Les pics de diffraction pour les deux échantillons à 28,61°, 33,13°, 47,5°, 56,31°, 69,42°, 76,65° et 88,44° pourraient être attribués aux (112), (200), (220), (312), ( 400), (332) et (424) plans, respectivement. Les principaux pics de diffraction du Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ sont bien assortis à ceux du Cu₂ tétragonal SnS₃ (JCPDS 89-4714) [38, 39, 42], et aucune phase secondaire n'a été détectée, confirmant que les produits étaient tous purs en phase avec une croissance préférentielle le long du plan (112). Après recuit à 540 °C, l'intensité relative de chaque pic de diffraction majeur dans le diagramme XRD a augmenté, et la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic de diffraction (112) a diminué de 0,4 à 0,35, indiquant que le recuit procédé a amélioré la cristallinité du matériau [40, 41].

Spectres XRD de Cu₂ SnS₃ nanoparticules

Comme le montrent les images SEM de la Fig. 2a, e, le Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ étaient présents sous la forme de nanoparticules sphériques, qui s'agrègent pour former des agglomérats irréguliers en forme de boule. Les amas sphériques irréguliers de forme micronique formés par les nanoparticules primaires sont avantageux car ils augmentent la densité de compactage de l'anode et augmentent ainsi la capacité de la batterie. Afin d'analyser plus en détail la morphologie et la taille des particules, ainsi que la structure cristalline interne détaillée de Cu₂ SnS₃ , le Cu₂ SnS₃ les nanoparticules ont ensuite été observées via TEM et HRTEM. Comme le montrent les figures 2c, g, les tailles du Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ les particules étaient d'environ 25 et 41 nm, respectivement, et les deux matériaux se sont encore agrégés en particules sphériques de 1 µm, comme le montre la figure 2b, f. Dans les images HRTEM montrées sur la Fig. 2d, h, les franges du réseau sont clairement observables, où les franges du Cu₂ recuit SnS₃ les nanoparticules (Fig. 2h) sont plus régulières que celles de l'échantillon tel que préparé. Cela a en outre prouvé que la cristallisation du Cu₂ SnS₃ nanoparticules a été renforcée par recuit à 540 ° C. Transformée de Fourier rapide (FFT) du MET haute résolution de Cu₂ SnS₃ est montré dans le cadre Fig. 2d, h. Les diagrammes de diffraction des matériaux sont clairement indiqués dans la FFT. L'espacement du réseau de 0,301 nm est proche de la distance interplanaire du plan (112) de Cu₂ SnS₃ . Ainsi, les résultats HRTEM sont en bon accord avec les résultats XRD (Fig. 1).

un SEM, b , c TEM, et d Images HRTEM de Cu₂ tel que préparé SnS₃ nanoparticules; e SEM, f , g TEM, et h Images HRTEM de Cu₂ recuit SnS₃ nanoparticules

Afin d'étudier la distribution de Cu₂ SnS₃ , une cartographie par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) a été réalisée. Les images de cartographie élémentaire montrent les profils clairs des éléments Cu, Sn et S dans le composite (Fig. 3). Les résultats indiquent la distribution uniforme des éléments Cu, Sn et S dans le CTS. Les données EDX vérifient que les rapports d'éléments de Cu:Sn:S pour Cu₂ tel que préparé SnS₃ sont 2:0.87:2.25. Cependant, les rapports d'éléments de Cu:Sn:S = 2:1.006:2.89 pour Cu₂ recuit SnS₃ sont approximativement conformes à la stoechiométrie.

Mappage élémentaire EDX de b Cu, c Sn et d S du CTS tel que préparé ; f Cu, g Sn et h S du CTS recuit

Les états de valence et la composition du Cu₂ SnS₃ les nanoparticules ont en outre été déterminées par XPS. La figure 4a, e montre les spectres XPS complets du Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ nanoparticules, respectivement. Éléments Cu, Sn et S, ainsi que C (C1s , 285,08 eV) et O (O1s , 533,08 eV), ont été observés et aucun autre élément d'impureté n'a été détecté ; les pics d'impuretés C et O peuvent être dus à une contamination environnementale [39, 42, 43, 44, 45, 46, 47]. La figure 4b montre le Cu2p spectre de base du Cu₂ tel que préparé SnS₃ nanoparticules. Les énergies de liaison pour Cu2p 3/2 et Cu2p 1/2 s'est produit à 931,9 et 951,9 eV, respectivement, ce qui est cohérent avec les valeurs de Cu ⁺ rapportés dans la littérature [45, 47]; en revanche, le Cu ²⁺ le pic à 942 eV n'a pas été observé [48]. Les énergies de liaison de Sn3d 5/2 et Sn3d 3/2 pour le Cu₂ tel que préparé SnS₃ les nanoparticules se sont produites à 486,4 et 494,8 eV, respectivement, correspondant au Sn ⁴⁺ valeurs rapportées dans la littérature [45,46,47]. La figure 4f montre le Cu2p spectre au niveau du noyau du Cu₂ recuit SnS₃ nanoparticules; les énergies de liaison pour Cu2p 3/2 et Cu2p 1/2 s'est produit à 932,8 et 952,7 eV, respectivement, ce qui est également cohérent avec les valeurs rapportées dans la littérature [39, 46]. Les énergies de liaison de Sn3d 5/2 et Sn3d 3/2 pour le Cu₂ recuit SnS₃ des nanoparticules se sont produites à 486,9 et 495,3 eV (Fig. 4g), respectivement, confirmant la présence de Sn ⁴⁺ [38, 39]. Les énergies de liaison de S2p 3/2 et S2p 1/2 pour le Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ les nanocristaux étaient respectivement de 161,8 et 162,98 eV, indiquant la présence de S. Ces valeurs sont cohérentes avec celles rapportées dans la littérature, ce qui prouve l'existence de S ²⁻ [43,44,45,46,47]. Par conséquent, les résultats XPS suggèrent que les éléments Cu, Sn et S dans le Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ les nanoparticules sont présentes dans les états ioniques de Cu ⁺ , Sn ⁴⁺ , et S ²⁻ , respectivement. Le processus de recuit améliore la cristallinité de Cu₂ SnS₃ particules et augmente la taille des particules. Ce phénomène peut provoquer des changements dans le nuage d'électrons autour des cations et augmenter l'énergie de liaison de Cu et Sn.

Profils XPS de Cu₂ tel que préparé SnS₃ nanoparticules :a spectre d'enquête typique, b Cu2p niveau de base, c Sn3d niveau de base, et d S2p niveau de base. Spectres XPS de Cu₂ recuit SnS₃ nanocristaux :e spectre d'enquête typique, f Cu2p niveau de base, g Sn3d niveau de base, et h S2p niveau de base

La figure 5 montre les tracés CV obtenus pour Cu₂ SnS₃ à partir des deux premiers cycles balayés de 2 à 0 V à un taux de 0,1 mV s ^–1 . Sur la base de la figure 5a, pendant le premier processus d'intercalation du lithium, le Cu₂ tel que préparé SnS₃ les nanoparticules ont montré de grands pics de réduction à environ 1,09, les états de valence de Cu ⁺ , Sn ²⁺ changer en Cu, Sn. Les grands pics de réduction à environ 1,62 V sont le pic de réduction de H₂ O, et le pic de courant a progressivement disparu au cours du deuxième cycle. Dans le processus de délithiation, le pic de courant d'oxydation est apparu à 0,62 V correspondant à la formule (1), Sn avec des ions Li pour former Li_x Sn, et dans le deuxième cycle, le pic actuel est resté pratiquement inchangé. Comme le montre la figure 5b, lors du premier processus d'intercalation du lithium, le Cu₂ SnS₃ les nanoparticules recuites à 540 °C ont montré un grand pic de réduction proche de 1,1 V correspondant à la formule (1) [33], où Cu₂ SnS₃ a été réduite à Cu et Sn, et le pic de courant a progressivement augmenté jusqu'à 1,59 V au cours du deuxième cycle. La bosse en dessous de 0,5 V correspond à la conversion de Sn en Li_x Sn selon la formule (2) [33]. Dans le processus de délithiation, des pics de courant d'oxydation se sont produits à 0,59 et 1,94 V, et à mesure que le nombre de cycles augmentait, le pic de courant est resté pratiquement inchangé. Le pic anodique à environ 0,59 V est attribué au Li_x Alliage Sn formant Sn, et le pic à 1,94 V correspond à la réaction inverse de formule (1) [33]. La perte de capacité irréversible, qui résulte de la formation de Li₂ partiellement amorphe S consommant de manière irréversible du Li, provoque les changements de potentiel et d'intensité de courant de crête entre le premier et le deuxième cycle [17]. Par comparaison, le traitement de recuit a amélioré la réversibilité cyclable du Cu₂ SnS₃ nano-anodes.

Tracés CV des deux premiers cycles scannés entre 0 et 2 V à une fréquence de 0,1 mV s ^–1 :a tel que préparé et b recuit à 540 °C

Afin de bien comprendre le processus de charge-décharge, le XRD ex situ sur Cu₂ SnS₃ a été effectuée sur les électrodes après avoir été déchargées et chargées aux tensions sélectionnées, comme indiqué sur la figure 6. Les piles boutons ont été déchargées/chargées à différentes tensions, puis équilibrées pendant 6 h. Les cellules ont ensuite été démontées à l'intérieur de la boîte à gants, et le Cu₂ SnS₃ les électrodes composites ont été lavées avec le solvant DEC pour éliminer l'électrolyte. Après la première décharge à 1,5 V, la structure cristalline n'est pas détruite à 1,5 V comme on peut le voir sur la figure 6b, et les principaux pics de diffraction de Cu₂ SnS₃ les électrodes composites sont bien assorties à celles de Cu₂ tétragonal SnS₃ (JCPDS 89-4714), et aucune phase secondaire n'a été détectée. Après la première décharge à 0,05 V, Fig. 6c, les pics de réflexion de Cu₂ SnS₃ ont complètement disparu et les pics de Cu sont devenus plus forts et les pics de Li₂ Sn₅ apparu. De tels phénomènes peuvent être expliqués par la décomposition du CTS en nanoparticules de Cu et de Sn, les Li_x formant du Sn Sn. Un processus réversible s'est produit lors de la charge à 2 V, conduisant à la récupération des phases CTS, et formé Cu₄ SnS₄ .

Modèles XRD ex situ de l'électrode ; un tel que préparé ; b d'abord déchargé à 1,5 V; c d'abord déchargé à 0,05 V ; d seconde chargée à 2 V

La figure 7 montre les tracés de Nyquist du Cu₂ SnS₃ électrodes à OCV, après 2 cycles à 100 mA g ⁻¹ (0–2 V). Dans les parcelles de Nyquist du Cu₂ SnS₃ électrodes à OCV (Fig. 7a, b), un demi-cercle dans la région des hautes fréquences est attribué à la résistance de transfert de charge R_ct et une ligne droite en pente dans la région des basses fréquences est attribuée à Li ⁺ processus de diffusion dans la masse Zw [18, 49]. Le R_ct du Cu₂ recuit SnS₃ l'électrode est inférieure à celle de l'électrode telle que préparée. Dans les parcelles de Nyquist du Cu₂ SnS₃ électrodes après 2 cycles (Fig. 7c, d), un demi-cercle dans la région des hautes fréquences est attribué à la résistance de Li ⁺ diffusion à travers le film de surface R_sei , un demi-cercle dans la région de fréquence moyenne est attribué à la résistance de transfert de charge R_ct , une ligne droite en pente dans la région des basses fréquences est attribuée à Li ⁺ processus de diffusion dans la masse Zw. Les données expérimentales sont simulées par le logiciel ZView, qui sont obtenues selon le circuit équivalent, et les valeurs sont répertoriées dans le tableau 1. Nous pouvons constater qu'il n'y a pas de différence significative de la résistance Ohm (R_s ) entre le Cu₂ préparé et recuit SnS₃ . Cependant, le R_sei et R_ct valeurs de Cu₂ recuit SnS₃ sont beaucoup plus petits que ceux du Cu₂ tel que préparé SnS₃ . Surtout, le R_ct de l'échantillon vierge est de 162,4 à l'OCV et augmente considérablement à 206,6 après 2 cycles. En revanche, le R_ct de l'échantillon recuit est de 39,7 à l'OCV et diminue considérablement à 25,9 après 2 cycles. Le processus de recuit peut supprimer la couche SEI et la résistance au transfert de charge, facilitant ainsi le transfert de charge et la conduction ionique. En conséquence, les performances électrochimiques du Cu₂ recuit SnS₃ est amélioré.

Tracés de Nyquist de Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ électrodes à OCV, après 2 cycles à 100 mA g ⁻¹ (0–2 V)

Comme le montrent les images SEM de la Fig. 8a, b, après 5 cycles, la forme de Cu₂ recuit SnS₃ n'a pas été modifiée, montrant des nanoparticules sphériques qui s'agrègent pour former des agglomérats irréguliers en forme de boule. Les images de cartographie élémentaire montrent les profils clairs des éléments Cu, Sn et S dans le composite (Fig. 8d–f, h–j). Les résultats indiquent la distribution uniforme des éléments Cu, Sn et S dans l'électrode CTS recuite après 5 cycles.

Images SEM de Cu₂ recuit SnS₃ nanoparticules :a à l'OCV, b après 5 cycles. Mappage élémentaire EDX de d Cu, e Sn et f S de l'électrode CTS recuite à l'OCV, h Cu, je Sn et j S de l'électrode CTS recuit après 5 cycles

Courbes de charge-décharge galvanostatiques du Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ les électrodes (Fig. 9a, b) ont été enregistrées à 100 mA g ^–1 sur une plage de potentiel de 2 à 0 V (vs Li/Li ⁺ ). Les capacités de décharge initiales de 654 et 809 mA g ^–1 correspondent à des rendements coulombiques initiaux de 42 % et 53 %, respectivement. La perte de capacité irréversible peut être attribuée à la formation d'un film SEI et Li₂ S. De toute évidence, le traitement de recuit a amélioré la capacité de décharge et l'efficacité coulombique initiale du Cu₂ SnS₃ électrode.

Courbes de charge-décharge de Cu₂ SnS₃ électrodes (100 mA g ⁻¹ ):a tel que préparé et b recuit à 540 °C et c performances cyclistes (100 mA g ⁻¹ ); d capacité de débit de Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ électrodes à différentes densités de courant (100 à 400 mA g ⁻¹ )

Les performances cyclistes du Cu₂ tel que préparé et recuit SnS₃ électrodes à 100 cycles à une constante de 100 mA g ^–1 est représenté sur la figure 9c. Il est clair que la capacité spécifique de décharge du Cu₂ recuit SnS₃ l'électrode est globalement supérieure à celle de l'électrode telle que préparée. La capacité de Cu₂ recuit SnS₃ électrode après 50 cycles est de 187,7 mAh g ⁻¹ , ce qui est supérieur à celui de l'électrode telle que préparée (75,2 mAh g ⁻¹ ). La capacité de rétention des composites recuits est presque égale ou supérieure aux rapports des microsphères creuses Cu₂ SnS₃ et Cu₂ SnS₃ nanofeuillets [34, 50]. Mais la capacité de rétention est bien inférieure à Cu₂ SnS₃ /RGO composite (561 mAh g ⁻¹ après 100 cycles) [33]. Il a été prouvé que le processus de recuit améliore les performances du cycle de Cu₂ SnS₃ , mais dans la recherche de suivi, il est nécessaire de combiner avec d'autres méthodes de modification pour améliorer encore ses performances.

Comme le montre la figure 9d, le Cu₂ tel que préparé SnS₃ les cellules présentaient des capacités de décharge maximales d'environ 222, 78, 40 et 14 mAh g ^–1 à 100, 200, 300 et 400 mA g ^–1 taux de décharge, respectivement, avec un taux de rétention de la capacité de décharge de seulement 6%. En revanche, les capacités spécifiques de décharge du Cu₂ recuit SnS₃ les batteries étaient de 396, 221, 153 et 106 mAh g ^–1 à 100, 200, 300 et 400 mA g ^–1 taux de décharge, respectivement, avec un taux de rétention de la capacité de décharge de 26,8 %. Évidemment, le traitement de recuit a augmenté la cristallinité de Cu₂ SnS₃ et conduit à une structure cristalline plus stable. Cu₂ SnS₃ est polycristallin et contient donc de nombreux joints de grains. Au cours du processus de charge-décharge, la contrainte mécanique produite par l'expansion volumique des particules internes peut être amortie par le glissement des joints de grains, réduisant ainsi la fracturation et la pulvérisation du matériau et stabilisant la structure de l'électrode. Ceci est bénéfique pour améliorer la stabilité de cyclage et les caractéristiques de vitesse du nano-Cu₂ SnS₃ anode.

Conclusion

Cu₂ SnS₃ , en tant que matériau modifié pour les anodes à base de Sn haute capacité créées par l'introduction de Cu inerte pour former un alliage, a un grand potentiel pour les applications de batteries lithium-ion. Le recuit à 540 °C augmente la cristallinité du Cu₂ SnS₃ nanoparticules et conduit à une structure cristalline plus stable. Le traitement de recuit à haute température améliore les performances électrochimiques du Cu₂ SnS₃ , résultant en une efficacité coulombique initiale plus élevée et des caractéristiques de cycle et de vitesse améliorées par rapport à celles de l'échantillon tel que préparé.

Disponibilité des données et des matériaux

Les auteurs déclarent que les matériaux et les données sont rapidement disponibles pour les lecteurs sans qualifications indues dans les accords de transfert de matériel. Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

PVDF :

Poly(fluorure de vinylidène)

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

CE :

Carbonate d'éthylène

EMC :

Carbonate d'éthyle et de méthyle

DEC :

Carbonate de diéthyle

CV :

Voltamétrie cyclique

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

SEM :

Microscope électronique à balayage

EDX :

Rayons X à dispersion d'énergie

OCV :

Tension en circuit ouvert

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

XRD :

Diffraction des rayons X