Optimización de nanomateriales de ánodo Cu₂SnS₃: Impacto del recocido en el rendimiento electroquímico

Resumen

El Cu₂SnS₃, como material modificado para ánodos basados en estaño de alta capacidad, tiene gran potencial para aplicaciones en baterías de iones de litio. El método solvotérmico es simple, conveniente, rentable y fácil de escalar, por lo que se ha usado ampliamente para la preparación de nanocristales. En este trabajo, nanopartículas de Cu₂SnS₃ se prepararon por método solvotérmico. Se estudiaron los efectos del recocido a alta temperatura en la morfología, estructura cristalina y rendimiento electroquímico de un nano-ánodo de Cu₂SnS₃. Los resultados experimentales indican que el recocido a alta temperatura mejora el rendimiento electroquímico del Cu₂SnS₃, resultando en mayor eficiencia coulombica inicial y mejores características de ciclado y tasa comparadas con la muestra sin recocer.

Introducción

Las baterías de iones de litio se usan ampliamente en vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles, pero requieren mejoras adicionales en parámetros como densidad de energía, vida de ciclo, densidad de potencia, seguridad y compatibilidad ambiental [1-9]. La densidad de energía es uno de los parámetros más esenciales ya que determina la autonomía de un vehículo eléctrico. Las baterías de iones de litio convencionales están limitadas por la capacidad específica del ánodo de grafito comercial (LiC₆, 372 mAh g⁻¹). Por tanto, es crítico investigar ánodos con altas capacidades específicas para mejorar la densidad de energía de baterías de iones de litio. En este sentido, los materiales de ánodo basados en estaño han atraído atención por sus altas capacidades específicas (Li_4.4Sn, ~ 993 mAh g^–1) [10-14]. Sin embargo, estos materiales exhiben conductividades pobres y grandes expansiones de volumen (hasta 300%) [15-17], causando bajas tasas y pobre estabilidad de ciclado. Se han explorado diversas estrategias para mejorar las propiedades electroquímicas de materiales de ánodo basados en Sn [18-21]. Elementos inertes y no inertes introducidos para formar materiales compuestos basados en Sn pueden funcionar como matriz amortiguadora para la expansión de volumen, mejorando así la estabilidad estructural y de ciclado del material. Los elementos inertes usados a menudo para formar compuestos basados en Sn incluyen Ni, Co, Mn y Cu [22-27], y los no inertes incluyen Sb, Ge, etc. [28-30]. La nanomerización de materiales de electrodo no solo puede inhibir eficazmente cambios de volumen durante el ciclado de batería y liberar tensión interna del material, mejorando su estabilidad estructural, sino también aumentar el área superficial específica del electrodo, lo que promueve reacciones rápidas en la interfaz electrodo. Además, la nanomerización puede reducir significativamente la distancia de difusión de iones de litio en el material activo, reduciendo el fenómeno de polarización del electrodo y mejorando el rendimiento de tasa de la batería de iones de litio. Cai y Li reportaron que nanoestructura híbrida de nanovarillas porosas de SnS/carbono exhibió capacidad reversible y rendimiento de ciclado mejorados [31]. Compuestos 3D huecos CoS@PCP/CNTs construidos por nanopartículas de sulfuro de cobalto estabilizadas por carbono poroso/nanotubos de carbono exhibieron capacidad reversible ultrahigh de ~1668 mAh g⁻¹ en 100 ciclos y capacidad de alta tasa excepcional (1038, 979, 858 y 752 mAh g⁻¹ a densidades de corriente de 1, 2, 5 y 10 A g⁻¹, respectivamente) [32]. El Cu₂SnS₃, como material modificado para ánodos basados en Sn de alta capacidad creado por introducción de Cu inerte para formar aleación, tiene gran potencial para aplicaciones en baterías de iones de litio [17, 33-35]. Materiales de nanoestructura Cu₂SnS₃ (CTS) se prepararon exitosamente vía método solvotérmico simple para batería de iones de sodio. Los electrodos CTS recocidos exhiben alta capacidad reversible inicial 447,7 mAh g⁻¹ y buena retención de capacidad 200,6 mAh g⁻¹ tras 50 ciclos a densidad de corriente de 100 mA g⁻¹ [36]. Fu y Li usaron un método hidrotérmico simple para preparar compuesto Cu₂SnS₃/óxido de grafeno reducido (CTS/RGO) para baterías de iones de sodio. CTS/RGO exhibe alta capacidad reversible de 566,8 mA h g⁻¹ y mantiene capacidad específica de 339,8 mA h g⁻¹ tras 100 ciclos a densidad de corriente constante de 100 mA g⁻¹ [37]. Los sulfuros sinterizados a alta temperatura se han usado ampliamente para mejorar rendimiento electroquímico. Los efectos del proceso de recocido a alta temperatura en el rendimiento electroquímico para baterías de iones de litio de Cu₂SnS₃ se investigaron en este artículo.

El método solvotérmico es simple, conveniente, rentable y fácilmente escalable, y se ha usado ampliamente para preparación de nanocristales. En este trabajo, nanopartículas de Cu₂SnS₃ para baterías de iones de litio se prepararon por método solvotérmico. Además, se estudiaron los efectos del recocido a alta temperatura en la morfología, estructura cristalina y rendimiento electroquímico de nano-ánodos de Cu₂SnS₃.

Sección Experimental

Preparación de Materiales

CuCl₂·2H₂O (99,9%), SnSO₄ (99,9%), polvo de azufre elemental (99,9%) y etilendiamina anhidra (99%) se compraron de Chengdu Kelong Chemical Co.

Para la síntesis de nanopartículas de Cu₂SnS₃, CuCl₂·2H₂O (0,682 g, 4 mmol) y SnSO₄ (0,473 g, 2,2 mmol) se disolvieron primero en agua desionizada con agitación magnética por 20 min. La mezcla resultante se cargó en un autoclave con un recipiente de teflón de 25 ml pre-cargado con una solución de polvo de azufre (0,290 g, 9 mmol) suspendido en etilendiamina anhidra. El autoclave hermético se transfirió a un horno y se calentó de temperatura ambiente a 200 °C, se mantuvo por 24 h, luego se enfrió naturalmente a temperatura ambiente. El precipitado resultante se lavó con agua desionizada varias veces y se recogió por centrifugación a 6000 rpm por 3 min para eliminar subproductos. Luego, el precipitado resultante se secó al vacío a 80 °C por 10 h antes de usar. Las nanopartículas de Cu₂SnS₃ se recocieron a 540 °C por 40 min en un horno tubular que se vació y purgó con gas nitrógeno a flujo de 50-80 ml min^–1 bajo presión ambiente.

Caracterización de Materiales

Datos de difracción de rayos X en polvo (XRD) se adquirieron usando un Bruker D8 ADVANCE con fuente de radiación Cu-Kα (λ = 1,5418 Å). Microscopía electrónica de barrido (SEM) (Hitachi S3400) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) (Tecnai G2-F30-S-TWIN, FEI) se usaron para investigar las microestructuras de nanopartículas de Cu₂SnS₃. La composición de la muestra se analizó usando espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDX). Espectros de fotoelectrones de rayos X (XPS) de nanopartículas de Cu₂SnS₃ se obtuvieron usando un espectrómetro de fotoelectrones de rayos X (ESCALAB 250Xi, Thermo Scientific).

Montaje de Batería y Mediciones Electroquímicas

El rendimiento electroquímico de nanopartículas de Cu₂SnS₃ se probó con celdas tipo moneda CR2032 usando Li metal como contraelectrodo. El ánodo se compuso de 80% en peso material activo, 10% super P y 10% PVDF. El electrolito fue 1 M LiPF₆ (EC:EMC:DEC = 4:2:4, vol%). Los electrodos de Cu₂SnS₃ se perforaron en círculos de 12 mm de diámetro. La carga de masa de material activo Cu₂SnS₃ es 2,65 mg/cm². El espesor del ánodo de Cu₂SnS₃ colado es ~ 30 µm, determinado por micrómetro. Voltametría cíclica (CV) se realizó a 0,1 mV s⁻¹ de 2,0 a 0,0 V usando un potenciostato (VersaSTAT3F, Princeton Applied Research). Pruebas de ciclado y tasa se condujeron en una unidad automática de carga-descarga galvanoestática (CT-4800, Neware) entre 0,05 y 2,0 V a temperatura ambiente. Espectroscopía de impedancia electroquímica se realizó usando un potenciostato (VersaSTAT3F, Princeton Applied Research) en rango de frecuencia de 100 kHz a 0,1 Hz.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra los patrones XRD de nanopartículas de Cu₂SnS₃. Los picos de difracción para ambas muestras a 28,61°, 33,13°, 47,5°, 56,31°, 69,42°, 76,65° y 88,44° pueden asignarse a los planos (112), (200), (220), (312), (400), (332) y (424), respectivamente. Los principales picos de difracción del Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido coinciden bien con los de Cu₂SnS₃ tetragonal (JCPDS 89-4714) [38, 39, 42], y no se detectaron fases secundarias, confirmando que los productos eran todos puros en fase con crecimiento preferencial a lo largo del plano (112). Tras recocido a 540 °C, la intensidad relativa de cada pico principal de difracción en el patrón XRD aumentó, y el ancho a media altura (FWHM) del pico de difracción (112) disminuyó de 0,4 a 0,35, indicando que el proceso de recocido mejoró la cristalinidad del material [40, 41].

Espectros XRD de nanopartículas de Cu₂SnS₃

Como se muestra en imágenes SEM en Fig. 2a, e, el Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido estaban presentes en forma de nanopartículas esféricas, que se agregan para formar aglomerados irregulares en forma de bola. Los racimos esféricos irregulares de forma micrométrica formados por nanopartículas primarias son ventajosos ya que aumentan la densidad de compactación del ánodo y por tanto aumentan la capacidad de la batería. Para analizar más la morfología y tamaño de partícula, así como la estructura cristalina interna detallada de Cu₂SnS₃, las nanopartículas se observaron además vía TEM y HRTEM. Como se muestra en Fig. 2c, g, los tamaños de partículas de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido fueron aproximadamente 25 y 41 nm respectivamente, y ambos materiales se agregaron además en partículas esféricas de 1 µm como se muestra en Fig. 2b, f. En imágenes HRTEM mostradas en Fig. 2d, h, las franjas de red son claramente observables, donde las franjas de nanopartículas de Cu₂SnS₃ recocido (Fig. 2h) son más regulares que las de la muestra sin recocer. Esto prueba además que la cristalización de nanopartículas de Cu₂SnS₃ fue mejorada por recocido a 540 °C. Transformada rápida de Fourier (FFT) de TEM de alta resolución de Cu₂SnS₃ se muestra en recuadro Fig. 2d, h. Los patrones de difracción de los materiales se muestran claramente en la FFT. El espaciado de red de 0,301 nm es cercano a la distancia interplanar del plano (112) de Cu₂SnS₃. Así, los resultados HRTEM concuerdan bien con los resultados XRD (Fig. 1).

a SEM, b, c TEM, y d HRTEM de nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer; e SEM, f, g TEM, y h HRTEM de nanopartículas de Cu₂SnS₃ recocidas.

Para investigar la distribución de Cu₂SnS₃, se realizó mapeo de rayos X dispersivos en energía (EDX). Imágenes de mapeo elemental muestran perfiles claros de elementos Cu, Sn y S en el compuesto (Fig. 3). Los resultados indican distribución uniforme de elementos Cu, Sn y S en el CTS. Datos EDX verifican que las relaciones elementales Cu:Sn:S para Cu₂SnS₃ sin recocer son 2:0,87:2,25. Sin embargo, las relaciones elementales Cu:Sn:S = 2:1,006:2,89 para Cu₂SnS₃ recocido son aproximadamente consistentes con la estequiometría.

Mapeo elemental EDX de b Cu, c Sn y d S del CTS sin recocer; f Cu, g Sn y h S del CTS recocido.

Los estados de valencia y composición de nanopartículas de Cu₂SnS₃ se determinaron además por XPS. La Figura 4a, e muestra los espectros XPS completos de nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocidas, respectivamente. Se observaron elementos Cu, Sn y S, así como C (C1s, 285,08 eV) y O (O1s, 533,08 eV), y no se detectaron otros elementos impureza; los picos de impureza C y O pueden deberse a contaminación ambiental [39, 42-47]. La Figura 4b muestra el espectro de nivel central Cu2p del Cu₂SnS₃ sin recocer. Las energías de enlace para Cu2p_3/2 y Cu2p_1/2 ocurrieron a 931,9 y 951,9 eV respectivamente, consistentes con valores de Cu⁺ reportados en literatura [45, 47]; en contraste, el pico de Cu²⁺ a 942 eV no se observó [48]. Las energías de enlace de Sn3d_5/2 y Sn3d_3/2 para nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer ocurrieron a 486,4 y 494,8 eV respectivamente, correspondiendo a valores de Sn⁴⁺ reportados en literatura [45-47]. La Figura 4f muestra el espectro de nivel central Cu2p del Cu₂SnS₃ recocido; las energías de enlace para Cu2p_3/2 y Cu2p_1/2 ocurrieron a 932,8 y 952,7 eV respectivamente, también consistentes con valores reportados en literatura [39, 46]. Las energías de enlace de Sn3d_5/2 y Sn3d_3/2 para nanopartículas de Cu₂SnS₃ recocidas ocurrieron a 486,9 y 495,3 eV (Fig. 4g), respectivamente, confirmando la presencia de Sn⁴⁺ [38, 39]. Las energías de enlace de S2p_3/2 y S2p_1/2 para ambos nanocristales de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido fueron 161,8 y 162,98 eV respectivamente, indicando presencia de S. Estos valores son consistentes con los reportados en literatura, proporcionando evidencia para la existencia de S²⁻ [43-47]. Consecuentemente, los resultados XPS sugieren que los elementos Cu, Sn y S en nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocidas están presentes en estados iónicos de Cu⁺, Sn⁴⁺ y S²⁻ respectivamente. El proceso de recocido mejora la cristalinidad de partículas de Cu₂SnS₃ y aumenta el tamaño de partícula. Este fenómeno puede causar cambios en la nube electrónica alrededor de los cationes y aumentar la energía de enlace de Cu y Sn.

Perfiles XPS de nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer: a espectro de survey típico, b nivel central Cu2p, c nivel central Sn3d, y d nivel central S2p. Espectros XPS de nanocristales de Cu₂SnS₃ recocidos: e espectro de survey típico, f nivel central Cu2p, g nivel central Sn3d, y h nivel central S2p.

La Figura 5 muestra los gráficos CV obtenidos para Cu₂SnS₃ de los dos ciclos iniciales escaneados de 2 a 0 V a tasa de 0,1 mV s^–1. Basado en Fig. 5a, durante el primer proceso de intercalación de litio, las nanopartículas de Cu₂SnS₃ sin recocer mostraron grandes picos de reducción a aproximadamente 1,09 V, los estados de valencia de Cu⁺, Sn²⁺ cambiando a Cu, Sn. Los grandes picos de reducción a aproximadamente 1,62 V son el pico de reducción de H₂O, y la corriente pico desapareció gradualmente en el segundo ciclo. En el proceso de deslitición, el pico de corriente de oxidación apareció a 0,62 V correspondiente a fórmula (1), Sn con iones Li para formar Li_xSn, y en el segundo ciclo, el pico de corriente permaneció básicamente inalterado. Como se muestra en Fig. 5b, durante el primer proceso de intercalación de litio, las nanopartículas de Cu₂SnS₃ recocidas a 540 °C mostraron un gran pico de reducción cerca de 1,1 V correspondiente a fórmula (1) [33], donde Cu₂SnS₃ se redujo a Cu y Sn, y el pico de corriente aumentó gradualmente a 1,59 V durante el segundo ciclo. La joroba por debajo de 0,5 V corresponde a la conversión de Sn a Li_xSn según fórmula (2) [33]. En el proceso de deslitición, picos de corriente de oxidación ocurrieron a 0,59 y 1,94 V, y al aumentar el número de ciclos, el pico de corriente permaneció básicamente inalterado. El pico anódico a aproximadamente 0,59 V se atribuye a la aleación Li_xSn formando Sn, y el pico a 1,94 V corresponde a la reacción inversa de fórmula (1) [33]. La pérdida de capacidad irreversible, que surge de la formación de Li₂S parcialmente amorfo consumiendo Li irreversiblemente, causa los cambios en potencial e intensidad de corriente pico entre el primer y segundo ciclos [17]. Por comparación, el tratamiento de recocido mejoró la reversibilidad de ciclado de nano-ánodos de Cu₂SnS₃.

$$\text{Cu}_2\text{SnS}_3 + 6\text{Li}^+ + 6\text{e}^- \leftrightarrow 2\text{Cu} + \text{Sn} + 3\text{Li}_2\text{S} \tag{1}$$ $$\text{Sn} + x\text{Li}^+ + x\text{e}^- \leftrightarrow \text{Li}_x\text{Sn} \quad (0 \le x \le 4.4) \tag{2}$$

Gráficos CV de dos ciclos iniciales escaneados entre 0 y 2 V a tasa de 0,1 mV s^–1: a sin recocer y b recocido a 540 °C.

Para comprender totalmente el proceso de carga-descarga, se realizó XRD ex situ en Cu₂SnS₃ en electrodos tras descarga y carga a voltajes seleccionados como se muestra en Fig. 6. Las celdas de moneda se descargaron/cargaron a diferentes voltajes y luego equilibraron por 6 h. Las celdas se desmontaron luego dentro de la caja de guantes, y los electrodos compuestos de Cu₂SnS₃ se lavaron con solvente DEC para eliminar el electrolito. Tras la primera descarga a 1,5 V, la estructura cristalina no se destruye a 1,5 V como se ve en Fig. 6b, y los principales picos de difracción de electrodos compuestos de Cu₂SnS₃ coinciden bien con los de Cu₂SnS₃ tetragonal (JCPDS 89-4714), y no se detectaron fases secundarias. Tras la primera descarga a 0,05 V, Fig. 6c, los picos de reflexión de Cu₂SnS₃ desaparecieron completamente y los picos de Cu se volvieron más fuertes y aparecieron picos de Li₂Sn₅. Tales fenómenos pueden explicarse por la descomposición de CTS en nanopartículas de Cu y Sn, el Sn formando Li_xSn. Un proceso reversible ocurrió al cargar a 2 V, llevando a recuperación de fases CTS, y formó Cu₄SnS₄.

Patrones XRD ex situ del electrodo; a sin recocer; b primera descarga a 1,5 V; c primera descarga a 0,05 V; d segunda carga a 2 V.

La Figura 7 muestra los gráficos de Nyquist de electrodos de Cu₂SnS₃ en OCV, tras 2 ciclos a 100 mA g⁻¹ (0-2 V). En los gráficos de Nyquist de electrodos de Cu₂SnS₃ en OCV (Fig. 7a,b), un semicírculo en la región de alta frecuencia se atribuye a la resistencia de transferencia de carga R_ct y una línea recta inclinada en la región de baja frecuencia se atribuye al proceso de difusión de Li⁺ en el volumen Zw [18, 49]. La R_ct del electrodo de Cu₂SnS₃ recocido es menor que la del electrodo sin recocer. En los gráficos de Nyquist de electrodos de Cu₂SnS₃ tras 2 ciclos (Fig. 7c, d), un semicírculo en región de alta frecuencia se atribuye a la resistencia de difusión de Li⁺ a través de la película superficial R_sei, un semicírculo en región de media frecuencia se asigna a la resistencia de transferencia de carga R_ct, una línea recta inclinada en región de baja frecuencia se atribuye al proceso de difusión de Li⁺ en el volumen Zw. Los datos experimentales se simulan con software ZView, obtenidos según el circuito equivalente, y los valores se listan en Tabla 1. Se encuentra que no hay diferencia significativa de la resistencia óhmica (R_s) entre Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido. Sin embargo, los valores de R_sei y R_ct del Cu₂SnS₃ recocido son mucho menores que los del Cu₂SnS₃ sin recocer. Especialmente, la R_ct de la muestra prístina es 162,4 Ω en OCV y aumenta drásticamente a 206,6 Ω tras 2 ciclos. En contraste, la R_ct de la muestra recocida es 39,7 Ω en OCV y disminuye drásticamente a 25,9 Ω tras 2 ciclos. El proceso de recocido puede suprimir la capa SEI y la resistencia de transferencia de carga, facilitando así la transferencia de carga y conducción iónica. Como consecuencia, el rendimiento electroquímico del Cu₂SnS₃ recocido mejora.

Gráficos de Nyquist de electrodos de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido en OCV, tras 2 ciclos a 100 mA g⁻¹ (0-2 V).

Como se muestra en imágenes SEM en Fig. 8a, b, tras 5 ciclos, la forma del Cu₂SnS₃ recocido no cambió, mostrando nanopartículas esféricas que se agregan para formar aglomerados irregulares en forma de bola. Imágenes de mapeo elemental muestran perfiles claros de elementos Cu, Sn y S en el compuesto (Fig. 8d-f, h-j). Los resultados indican distribución uniforme de elementos Cu, Sn y S en el electrodo CTS recocido tras 5 ciclos.

Imágenes SEM de nanopartículas de Cu₂SnS₃ recocido: a en OCV, b tras 5 ciclos. Mapeo elemental EDX de d Cu, e Sn y f S del electrodo CTS recocido en OCV, h Cu, i Sn y j S del electrodo CTS recocido tras 5 ciclos.

Curvas de carga-descarga galvanoestática de electrodos de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido (Fig. 9a, b) se registraron a 100 mA g^–1 en rango de potencial de 2 a 0 V (vs. Li/Li⁺). Las capacidades de descarga iniciales de 654 y 809 mA g^–1 corresponden a eficiencias coulombicas iniciales de 42% y 53%, respectivamente. La pérdida de capacidad irreversible puede atribuirse a formación de película SEI y Li₂S. Obviamente, el tratamiento de recocido mejoró la capacidad de descarga y eficiencia coulombica inicial del electrodo de Cu₂SnS₃.

Curvas de carga-descarga de electrodos de Cu₂SnS₃ (100 mA g⁻¹): a sin recocer y b recocido a 540 °C y c rendimiento de ciclado (100 mA g⁻¹); d capacidad de tasa de electrodos de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido a densidades de corriente variables (100 a 400 mA g⁻¹).

El rendimiento de ciclado de electrodos de Cu₂SnS₃ sin recocer y recocido a 100 ciclos a 100 mA g^–1 constante se muestra en Fig. 9c. Es claro que la capacidad específica de descarga del electrodo de Cu₂SnS₃ recocido es globalmente superior a la del electrodo sin recocer. La capacidad del electrodo de Cu₂SnS₃ recocido tras 50 ciclos es 187,7 mAh g⁻¹, superior a la del electrodo sin recocer (75,2 mAh g⁻¹). La retención de capacidad de compuestos recocidos es casi igual o mejor que reportes de microesferas huecas de Cu₂SnS₃ y nano láminas de Cu₂SnS₃ [34, 50]. Pero la retención de capacidad es mucho menor que compuesto Cu₂SnS₃/RGO (561 mAh g⁻¹ tras 100 ciclos) [33]. El proceso de recocido ha demostrado mejorar el rendimiento de ciclado de Cu₂SnS₃, pero en investigación posterior es necesario combinar con otros métodos de modificación para mejorar aún más su rendimiento.

Como se muestra en Fig. 9d, las celdas de Cu₂SnS₃ sin recocer exhibieron capacidades máximas de descarga de aproximadamente 222, 78, 40 y 14 mAh g^–1 a tasas de descarga de 100, 200, 300 y 400 mA g^–1 respectivamente, con ratio de retención de capacidad de descarga de solo 6%. En contraste, las capacidades específicas de descarga de baterías de Cu₂SnS₃ recocido fueron 396, 221, 153 y 106 mAh g^–1 a 100, 200, 300 y 400 mA g^–1 respectivamente, con ratio de retención de capacidad de descarga de 26,8%. Obviamente, el tratamiento de recocido aumentó la cristalinidad de Cu₂SnS₃ y llevó a una estructura cristalina más estable. El Cu₂SnS₃ es policristalino y contiene muchos bordes de grano. Durante el proceso de carga-descarga, el estrés mecánico producido por expansión de volumen de partículas internas puede amortiguarse por deslizamiento de bordes de grano, reduciendo así fracturación y pulverización del material y estabilizando la estructura del electrodo. Esto es beneficioso para mejorar la estabilidad de ciclado y características de tasa del nano-ánodo de Cu₂SnS₃.

Conclusión

El Cu₂SnS₃, como material modificado para ánodos basados en Sn de alta capacidad creado por introducción de Cu inerte para formar aleación, tiene gran potencial para aplicaciones en baterías de iones de litio. El recocido a 540 °C aumenta la cristalinidad de nanopartículas de Cu₂SnS₃ y lleva a una estructura cristalina más estable. El tratamiento de recocido a alta temperatura mejora el rendimiento electroquímico de Cu₂SnS₃, resultando en mayor eficiencia coulombica inicial y mejores características de ciclo y tasa comparadas con la muestra sin recocer.

Disponibilidad de datos y materiales

Los autores declaran que materiales y datos están disponibles prontamente a lectores sin calificaciones indebidas en acuerdos de transferencia de materiales. Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo.

Abreviaturas

PVDF:

Polivinilideno fluoruro

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

EC:

Carbonato de etileno

EMC:

Carbonato de etil metilo

DEC:

Carbonato de dietilo

CV:

Voltametría cíclica

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

EDX:

Rayos X dispersivos en energía

OCV:

Voltaje de circuito abierto

FWHM:

Ancho a media altura

XRD:

Difracción de rayos X