Komposit SnS₂ Titik Kuantum/rGO Berupa Sarang Lebah 3D: Anoda Berkinerja Tinggi untuk Baterai Litium dan Natrium
Abstrak
Dikalkogenida logam seperti SnS₂ menderita penurunan kapasitas yang parah karena pulverisasi volume dan konduktivitas buruk. Kami melaporkan rute spray-drying dan sulfidasi yang dapat diskalakan yang menghasilkan kerangka rGO berupa sarang lebah 3D yang seragam dihiasi dengan ~6 nm titik kuantum SnS₂ (QD). Jaringan pori yang saling terhubung menahan perubahan volume, menyediakan reservoir elektrolit yang luas, dan secara dramatis meningkatkan jalur elektron. Elektroda 3-D SnS₂ QDs/rGO yang dihasilkan memberikan 862 mAh g⁻¹ pada 0,1 A g⁻¹ setelah 200 siklus dalam baterai litium-ion (LIB) dan 233 mAh g⁻¹ pada 0,5 A g⁻¹ setelah 200 siklus dalam baterai natrium-ion (SIB). Desain ini menawarkan strategi yang layak untuk anoda kapasitas tinggi generasi mendatang.
Latar Belakang
Baterai litium-ion (LIB) dan baterai natrium-ion (SIB) sangat penting untuk elektronik portabel dan kendaraan listrik, namun anoda grafit komersial dibatasi oleh kapasitas teoretis 372 mAh g⁻¹ dan ketidakstabilan struktural pada laju tinggi. Dikalkogenida berlapis, terutama SnS₂, menampilkan kapasitas teoretis (~1230 mAh g⁻¹) yang jauh di atas grafit namun dihalangi oleh perubahan volume yang besar dan konduktivitas elektron rendah selama litiasi/sodiasi. Integrasi SnS₂ dengan kerangka pori 3D konduktif—paling terkenal grafin—dapat secara bersamaan menahan ekspansi, meningkatkan transportasi elektron, dan mencegah aglomerasi partikel. Studi terbaru tentang Co₃O₄, MoS₂, dan WS₂ dalam arsitektur 3D menunjukkan kinerja LIB yang ditingkatkan, yang memotivasi penelitian saat ini.
Metode
Sintesis Nanosphera Polistiren
Polistiren (PS) nanosphera (~200–300 nm) disiapkan oleh polimerisasi emulsiona stirena dalam air, diikuti dengan pengeringan beku pada –50 °C selama 24 jam. Produk dipurnikan dengan mencuci berulang kali dengan air dan etanol.
Pembuatan Komposit 3-D SnS₂ QDs/rGO
Koloid GO (2,5 wt %) dicampur dengan nanosphera PS dan SnCl₄·5H₂O (1,5 g) di bawah ultrasonikasi selama 1 jam. Suspensi di spray-dry (140 °C, 800 mL h⁻¹) untuk membentuk prekursor pori, yang kemudian dibakar pada 450 °C selama 2 jam dalam Ar untuk menghapus PS dan menghasilkan 3-D SnO₂/rGO. Sulfidasi berikutnya dengan tiourea pada 350 °C selama 12 jam dalam Ar mengonversi SnO₂ menjadi SnS₂, menghasilkan komposit 3-D SnS₂ QDs/rGO akhir.
Karakterisasi
Analisis struktural dan komposisi dilakukan oleh XRD (Cu-Kα), spektroskopi Raman (532 nm), XPS, TEM/SEM, luas permukaan BET (serapan N₂), dan TGA (udara, 10 °C min⁻¹). Uji elektrokimia menggunakan sel koin dengan elektroda Lawan Li/Na logam, 1 M LiPF₆/EC:DEC (1:1) untuk LIB dan 1 M NaClO₄/EC:DEC (1:1) untuk SIB. Galvanostatik charge/discharge dan voltametri siklik direkam pada 0,01–3,00 V.
Hasil dan Pembahasan
Fitur Struktural
Arsitektur sarang lebah 3D terlihat dalam gambar SEM/TEM, dengan lapisan rGO membentuk dinding berkelanjutan dan rongga ~200–300 nm yang berasal dari bolas PS pengorbanan. HRTEM mengungkapkan QD SnS₂ (~6 nm) yang terdistribusi seragam dalam matriks rGO, dengan jarak jaring 0,32 nm yang sesuai dengan bidang (100). Pola XRD memastikan SnS₂ kristal (JCPDS 23-0677) dan puncak rGO yang tereduksi. Analisis BET menunjukkan luas permukaan 21,99 m² g⁻¹ dan distribusi mesopori yang kondusif untuk transportasi ion.
Kinerja Elektrokimia – LIB
Komposit menampilkan kapasitas discharge awal 1400 mAh g⁻¹, melebihi kapasitas teoretis SnS₂ karena pembentukan SEI. Setelah 200 siklus pada 0,1 A g⁻¹, kapasitas tetap 870 mAh g⁻¹, sementara elektroda SnS₂ murni turun menjadi 16 mAh g⁻¹. Kemampuan laju lebih unggul: 870, 770, 622, dan 452 mAh g⁻¹ pada 0,1, 0,2, 0,5, dan 1 A g⁻¹, masing-masing, dengan pemulihan cepat saat kembali ke 0,1 A g⁻¹. Hasil ini mengonfirmasi peran jaringan 3D dalam mengurangi perubahan volume, meningkatkan konduktivitas, dan mencegah aglomerasi SnS₂.
Kinerja Elektrokimia – SIB
Dalam SIB, komposit memberikan 397 mAh g⁻¹ pada 0,1 A g⁻¹ dan mempertahankan 233 mAh g⁻¹ setelah 200 siklus pada 0,5 A g⁻¹, sedangkan elektroda SnS₂ murni turun menjadi 6 mAh g⁻¹. Kurva CV menunjukkan puncak redoks yang stabil dan tumpang tindih setelah siklus pertama, yang menunjukkan reversibilitas yang luar biasa. Kontribusi kapasitif dominan (≈76 % pada 1 mV s⁻¹) timbul dari luas permukaan tinggi dan struktur pori.
Wawasan Mekanisme
Selama litiasi/sodiasi, SnS₂ mengalami interkalasi, konversi menjadi Li₂S/S₂Na₂, dan penglogaman dengan Sn untuk membentuk LiₓSn/NaₓSn. Kerangka rGO 3D menaklampi transformasi ini dengan menyediakan ruang dan mempertahankan konektivitas elektron, sehingga mempertahankan efisiensi kulombik tinggi (~99 %) dan umur siklus.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan rute yang mudah dan dapat diskalakan untuk komposit 3-D SnS₂ QDs/rGO berupa sarang lebah yang menggabungkan kapasitas tinggi, siklus yang kokoh, dan performa laju cepat baik dalam LIB maupun SIB. QD ~6 nm yang terancor seragam pada rGO, bersama dengan ukuran pori yang dapat disesuaikan melalui dimensi bolas PS, memungkinkan penampung volume yang efektif dan konduktivitas yang ditingkatkan. Elektroda mencapai 862 mAh g⁻¹ setelah 200 siklus pada 0,1 A g⁻¹ (LIB) dan 233 mAh g⁻¹ setelah 200 siklus pada 0,5 A g⁻¹ (SIB), outperforming banyak anoda berbasis SnS₂ yang telah dilaporkan. Arsitektur ini menawarkan platform yang menjanjikan untuk materi anoda berkinerja tinggi generasi mendatang.
