鈉離子電池由于其低成本、安全性以及可擴(kuò)展性，被認(rèn)為是鋰離子電池的一種有前途的替代品。鈉作為一種豐富的元素，與鋰相比，在儲(chǔ)能技術(shù)中具有成本上的優(yōu)勢(shì)，尤其是在對(duì)重量和體積要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景中。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類(lèi)似，這使得鈉離子電池的商業(yè)化可以借助現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)迅速實(shí)現(xiàn)。然而目前商業(yè)化的鋰離子電池普遍使用石墨作為負(fù)極材料，而石墨并不能有效地容納體積更大、極性更強(qiáng)的鈉離子。因此需要尋找或開(kāi)發(fā)能夠替代或改進(jìn)的負(fù)極材料。錫(Sn)基合金因其與鈉離子的高理論容量、較大的體積密度和較低的工作電壓而受到關(guān)注。但是鈉離子的大量嵌入和脫出會(huì)導(dǎo)致錫基材料發(fā)生巨大的體積膨脹和收縮，這可能會(huì)引起材料的機(jī)械失效。此外由于錫的工作電壓低于1伏，還可能在錫電極和電解液界面處發(fā)生電解液分解和固體電解質(zhì)界面(SEI)層的形成，這進(jìn)一步加劇了活性材料的損失和電池性能的下降。

盡管納米結(jié)構(gòu)的電極因其較小的尺寸和較高的表面積而能夠提供更快的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，從而提高活性位點(diǎn)的利用率和電池的充放電性能，但納米材料在充放電過(guò)程中的體積變化也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和循環(huán)壽命縮短。此外納米材料與電解液的接觸面積較大，可能會(huì)加劇與電解液的副反應(yīng)，導(dǎo)致初始庫(kù)侖效率(CE)降低，并影響電池的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，因此如何設(shè)計(jì)兼具納米結(jié)構(gòu)和微米級(jí)特征的電極材料，成為提升鈉離子電池性能的關(guān)鍵。

針對(duì)鈉離子電池負(fù)極材料存在的問(wèn)題，由武漢理工大學(xué)、路易斯安那州立大學(xué)、東莞理工學(xué)院以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技TEM原位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。他們提出了一種新型的碳納米纖維(CNF)薄膜，該薄膜具有納米尺寸的互聯(lián)孔隙，能夠容納尺寸主要在2納米以下的錫(Sn)團(tuán)簇，實(shí)現(xiàn)了在高電流密度下高達(dá)95%的Sn活性位點(diǎn)利用率，并保持了87%的高初始庫(kù)侖效率。相關(guān)成果以“Dynamic Behavior of Spatially Confined Sn Clusters and Its Application in Highly Efficient Sodium Storage with High Initial Coulombic Efficiency”發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上，全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202307151

這篇論文的主要研究?jī)?nèi)容集中在開(kāi)發(fā)一種新型的鈉離子電池負(fù)極材料，該材料利用空間限制的納米級(jí)錫(Sn)團(tuán)簇和碳納米纖維(CNF)的孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)提高電池的性能。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精心設(shè)計(jì)的微米尺度粒子，內(nèi)置了納米級(jí)特征，以發(fā)揮微米和納米粒子在性能屬性上的雙重優(yōu)勢(shì)。

圖 Sn-CNF電極的光學(xué)圖像、形貌特征和三維重建

研究的核心是揭示Sn團(tuán)簇在碳納米纖維孔隙中的動(dòng)態(tài)行為，尤其是在鈉化和去鈉化過(guò)程中。利用先進(jìn)的三維電子顯微鏡重建技術(shù)，團(tuán)隊(duì)首次觀察到Sn團(tuán)簇在去鈉化后的異常膨脹現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是由于團(tuán)簇/單個(gè)原子的聚集引起的。盡管發(fā)生了異常膨脹，但孔隙的連通性得以保持，這表明在小于2納米的孔隙中抑制了固體電解質(zhì)界面(SEI)的形成。

研究團(tuán)隊(duì)利用內(nèi)置的納米限制特性，制備了具有納米級(jí)互聯(lián)孔隙的CNF薄膜，這些孔隙能夠容納約2納米大小的Sn團(tuán)簇。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得Sn活性位點(diǎn)的利用率在高達(dá)1A g?1的速率下達(dá)到了95%，同時(shí)保持了87%的高初始庫(kù)侖效率。這些發(fā)現(xiàn)為在受限空間中的電化學(xué)反應(yīng)提供了洞見(jiàn)，并為電池應(yīng)用中的電極設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。

圖 Sn-CNF在充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變

此外研究還涉及了Sn-CNF薄膜的制備方法、結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)性能測(cè)試，以及通過(guò)原位和非原位技術(shù)對(duì)Sn團(tuán)簇在充放電過(guò)程中的體積變化和相變進(jìn)行的深入分析。通過(guò)這些研究，團(tuán)隊(duì)不僅證明了所開(kāi)發(fā)材料的高性能，還闡明了其在電化學(xué)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，為鈉離子電池的發(fā)展提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。