【研究簡介】
普遍認(rèn)為鈉離子電池最大的短板體積能量密度低。錫（Sn）具有高理論比容量和優(yōu)異的壓實(shí)密度，成為解決該短板的重要候選負(fù)極材料。然而，錫存在循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，加之其莫氏硬度較低，在電極勻漿過程中易發(fā)生顆粒冷壓焊與團(tuán)聚，阻礙了錫負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展。
近日，中國科學(xué)院物理研究所的胡勇勝研究員、謝飛副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種單壁碳納米管（SWCNT）構(gòu)建加固交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的策略，成功研發(fā)出活性物質(zhì)占比高達(dá)92 wt.%的微米錫負(fù)極（9226-SWCNT）。該負(fù)極在0.1 A/g倍率下比容量可高達(dá)789.4 mAh/g，首周庫侖效率89.5%。在2 A/g電流密度下循環(huán)超6000次仍保持87.6%的容量保持率。該團(tuán)隊(duì)通過將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與多尺度表征與理論計算相結(jié)合，首次定量化建立了錫顆粒拓?fù)湫蚊惭莼c電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)，揭示了在SWCNT交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)加固下，錫負(fù)極充分進(jìn)行拓?fù)湫蚊惭莼⒈３指呋钚晕镔|(zhì)高效利用的核心機(jī)制。團(tuán)隊(duì)將該負(fù)極放大制備的首個安時級錫基鈉離子電池，實(shí)現(xiàn)453 Wh/L的超高體積能量密度，并在4C倍率（15分鐘快充）下穩(wěn)定循環(huán)超600次，且擁有良好的低溫性能，綜合指標(biāo)優(yōu)于商用磷酸鐵鋰/石墨電池。該研究以題目為“Durable Alloy Anode for Na-ion Batteries with High Volumetric Energy Density”的論文發(fā)表在《自然·能源》（Nature Energy）。中國科學(xué)院物理研究所博士生陳釗、博士李鈺琦為本文第一作者。
圖1 | 具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的SWCNT摻雜微米錫負(fù)極示意圖。
該網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)充分的拓?fù)湫蚊惭葑儯⒃谘h(huán)過程中在錫顆粒之間提供連續(xù)的力學(xué)約束和電連接。
圖2 | 拓?fù)湫蚊惭葑兒捅┞缎?yīng)。
a，微米錫顆粒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析示意圖。b，在鈉離子電池中2 A/g循環(huán)下，與2%/4% SWCNT交聯(lián)的微米錫顆粒的拓?fù)溲葑兂潭龋ū硎緸棣?）與暴露效應(yīng)程度（表示為暴露錫的面積百分比）和比容量的關(guān)系圖。c，在SWCNT交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包裹下代表暴露效應(yīng)的微米錫顆粒的截面SEM圖像。d，通過機(jī)器學(xué)習(xí)研究微米錫顆粒暴露效應(yīng)的方案。e，9226-SWCNT和9046-SWCNT的各種循環(huán)次數(shù)、比容量、暴露錫面積百分比和β1之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。網(wǎng)格中的每個數(shù)字代表特定兩個變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。
圖3 | 制備的微米錫負(fù)極在安時級鈉離子電池中的實(shí)際性能。
a，安時級軟包電池生產(chǎn)過程的實(shí)物照片。9226-SWCNT電極和錫基多層軟包鈉離子電池的勻漿、涂布、干燥和輥壓過程。b，Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3]O2/9226-SWCNT安時級軟包電池在1-4.1 V之間、0.1 A電流下的恒流充放電曲線。
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