鈉離子電池由于鈉（Na）資源豐富且成本低廉，已成為具有競爭力的鋰離子電池替代儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前,是發(fā)展實(shí)用化的核心挑戰(zhàn)之一儲(chǔ)鈉技術(shù)是高性能負(fù)極材料的設(shè)計(jì)。雖然碳質(zhì)材料和鈦基氧化物等嵌入型陽極具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以容納 Na+離子, 但它們通常具有非常有限的容量。合金型負(fù)極材料具有較高的理論比容量，是鈉離子電池的理想負(fù)極材料。但由于鈉(Na)合金化/脫合金化過程中體積變化較大，容量衰減較快，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

來自電子科技大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種在銅(Cu)襯底上電沉積高取向銻錫(SbSn)合金納米陣列的簡便方法。這種二元合金具有定義良好的三角金字塔狀結(jié)構(gòu)，隨后的熱退火工藝在納米陣列的根部形成了一種“合金膠”，它在活性合金和銅襯底之間產(chǎn)生了牢固的連接。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，與單個(gè)金屬相比，制備的合金具有更有利的Na擴(kuò)散，“合金膠”提供了襯底與SbSn之間強(qiáng)烈的相互作用。更重要的是，基于有限元分析，這種獨(dú)特的三角形金字塔狀納米結(jié)構(gòu)不僅在Na+濃度梯度上產(chǎn)生了小的差異，而且建立了均勻的應(yīng)力分布，既促進(jìn)了高效的Na+擴(kuò)散，又促進(jìn)了有效的應(yīng)力消散?？傊?，優(yōu)化的成分和幾何結(jié)構(gòu)提高了當(dāng)前SbSn合金納米陣列的高倍率性能，延長了循環(huán)壽命。

綜上所述，本文采用無模板電沉積方法在銅襯底上成功制備了自支撐的SbSn合金納米陣列。單個(gè)SbSn亞基呈金字塔狀，隨后在Ar氣氛下退火形成SbSnCu三元相，它作為“合金膠”將活性SbSn連接到Cu襯底上。當(dāng)作為鈉存儲(chǔ)的負(fù)極材料時(shí)，所制備的SbSn納米陣列在5 C下表現(xiàn)出521mAh g?1的優(yōu)異倍率容量，在2C倍率下800次循環(huán)后的保持率高達(dá)82%，表現(xiàn)出優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的SbSn合金電極的性能。此外，由SbSn和Na3V2(PO4)3組成的全電池提供了189WH kg?1的比能量密度。密度泛函計(jì)算表明，與Sb和Sn的單獨(dú)金屬相比，SbSnCu合金成分具有更有利的Na擴(kuò)散，而三元“合金膠”的存在增強(qiáng)了納米陣列的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，基于有限元分析的模擬結(jié)果表明，這種金字塔狀的三角形結(jié)構(gòu)有利于活性物質(zhì)的有效利用以及循環(huán)過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的消散。這項(xiàng)工作將化學(xué)和幾何工程完美地結(jié)合在一起極大地提高了鈉的儲(chǔ)存性能，從而為未來高性能儲(chǔ)能電極材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。（文：SSC）

圖1.SbSn納米陣列的合成和表征

圖2.a)退火前后納米陣列的XRD圖譜。b)SbSn納米陣列的完整XPS測量光譜，以及c)Sb 3D和d)Sn 3D的芯能級(jí)光譜。

圖3.a)掃描速率為0.2 mV s?1時(shí)的CV和b)速率為0.3C的SbSn電極的恒流曲線。c)比較了Sb、Sn和SbSb在2C 循環(huán)200次后的性能。

圖4.銻錫電極電化學(xué)行為的動(dòng)力學(xué)分析

圖5.基于DFT的理論計(jì)算

圖6.在相同的底部長度和高度下，不同形狀的Na+離子濃度和應(yīng)力分布的有限元分析。 TOP 往期推薦 Historical articles

審核編輯：郭婷