科研進展

                過程工程所開發單原子錫/碳復合材料用于鋰電池負極材料

                文章來源:發布時間:2022-04-26打印】【關閉

                  負極材料是決定鋰離子電池容量的關鍵因素,近日,過程工程所燃料清潔轉化研究部能源催化與多孔材料課題組王艷紅副研究員與長沙學院陳晗教授合作,在鋰離子電池錫基負極材料研究方面取得重要進展,創新性地將具有單原子結構的錫與納米碳球進行復合制備,開發出具有高倍率、長周期循環穩定的單原子錫/碳復合負極材料,對鋰離子電池錫基負極材料的發展具有重要意義。相關研究成果發表在Chemical Engineering JournalChem Eng J 437 (2022) 135340.)。

                  近年來,單原子復合材料被廣泛應用于催化、儲能等領域,單原子復合材料用做鈉/鉀離子電池負極材料,可以改善材料的動力學行為,抑制其在循環過程中的體積變化,提高材料的電化學性能。金屬錫基材料具有較高的儲鋰容量,但由于鋰化過程中Li-Sn合金的形成導致材料的晶格結構發生變化,帶來巨大的體積膨脹,嚴重影響了材料的電化學性能,阻礙了錫基負極材料在鋰離子電池中的商業化應用。單原子錫與納米碳球復合制備錫基單原子復合材料有望解決鋰離子電池負極材料體積變化大及電化學性能不佳等問題。

                  燃料清潔轉化研究部能源催化與多孔材料課題組長期致力于鋰離子電池負極材料的研究,獲多項發明專利。團隊在前期工作基礎上,利用金屬陽離子Sn2+與酚醛樹脂中酚羥基之間的靜電相互作用實現金屬陽離子在酚醛樹脂骨架結構中的原子級限域封裝,進而得到單原子錫/碳復合材料。在完全鋰化狀態下每個錫原子傾向于吸附3個鋰離子,并在去鋰化過程中實現一步脫附反應,表現出獨特的儲鋰機制。與多步去合金化反應得到的常規錫基負極材料相比,錫單原子的/嵌鋰過程表現出更快的動力學行為,呈現出不同的電化學反應特點,具有更加突出的電化學性能。該單原子錫/碳復合材料在1000 mA g-1電流密度下循環7000周后容量保持率高達78.5%(281 mAh g-1),對應的容量損失率為0.0031%/周,而同樣條件循環的二氧化錫納米顆粒/碳復合材料循環7000周,容量衰減為0。

                  單原子錫/碳復合材料的成功制備,促進了錫基復合材料的商業化應用,同時為長周期循環的鋰離子電池在儲能領域的應用提供了重要的研究價值,進一步推進對合金化負極材料在鋰離子電池中電化學行為的全面理解與認識。

                  該工作得到國家自然科學基金(No.51772295和No.51972108)和2020李嘉誠基金會跨學科研究基金(2020LKSFG09A)的資助。

                  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135340。

                  

                  圖1. (a)SASn/C復合材料制備流程示意圖,(b)前驅體3-AF/Sn和(c)SASn/C的SEM圖片,(d-g)SASn/C材料的EDS mapping圖,(h)SASn/C材料的球差矯正HAADF-STEM圖片

                  

                  圖2. CNS和SASn/C材料的XPS(a)Sn 3d、(b)O 1s譜圖和(c-d)FT-IR譜圖,SASn/C材料的Sn k-edge XANES譜圖和(f)R空間、(g)K空間以及(h)小波變換擬合結果,(i)SASn/C材料中Sn原子配位環境示意圖

                  

                  圖3. 單原子錫碳復合材料的循環性能

                  燃料清潔轉化研究部

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