顆粒在線訊：負極材料是決定鋰離子電池容量的關(guān)鍵因素。近日，中國科學(xué)院過程工程研究所燃料清潔轉(zhuǎn)化研究部能源催化與多孔材料課題組副研究員王艷紅與長沙學(xué)院教授陳晗合作，在鋰離子電池錫基負極材料研究方面取得重要進展，創(chuàng)新性地將具有單原子結(jié)構(gòu)的錫與納米碳球進行復(fù)合制備，開發(fā)出具有高倍率、長周期循環(huán)穩(wěn)定的單原子錫/碳復(fù)合負極材料，這對鋰離子電池錫基負極材料的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。 

　　近年來，單原子復(fù)合材料被應(yīng)用于催化、儲能等領(lǐng)域，單原子復(fù)合材料用做鈉/鉀離子電池負極材料，可改善材料的動力學(xué)行為，抑制其在循環(huán)過程中的體積變化，提高材料的電化學(xué)性能。金屬錫基材料具有較高的儲鋰容量，但鋰化過程中Li-Sn合金的形成導(dǎo)致材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶來巨大的體積膨脹，影響了材料的電化學(xué)性能，阻礙了錫基負極材料在鋰離子電池中的商業(yè)化應(yīng)用。單原子錫與納米碳球復(fù)合制備的錫基單原子復(fù)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(xué)性能不佳等問題。 

　　燃料清潔轉(zhuǎn)化研究部能源催化與多孔材料課題組致力于鋰離子電池負極材料的研究，獲多項發(fā)明專利。在前期工作基礎(chǔ)上，科研人員利用金屬陽離子Sn2+與酚醛樹脂中酚羥基之間的靜電相互作用實現(xiàn)金屬陽離子在酚醛樹脂骨架結(jié)構(gòu)中的原子級限域封裝，進而得到單原子錫/碳復(fù)合材料。在完全鋰化狀態(tài)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(xiàn)一步脫附反應(yīng)，表現(xiàn)出獨特的儲鋰機制。與多步去合金化反應(yīng)得到的常規(guī)錫基負極材料相比，錫單原子的脫/嵌鋰過程表現(xiàn)出更快的動力學(xué)行為，呈現(xiàn)出不同的電化學(xué)反應(yīng)特點，具有更突出的電化學(xué)性能。該單原子錫/碳復(fù)合材料在1000 mA g-1電流密度下循環(huán)7000周后容量保持率高達78.5%（281 mAh g-1），對應(yīng)的容量損失率為0.0031%/周，而同樣條件循環(huán)的二氧化錫納米顆粒/碳復(fù)合材料循環(huán)7000周，容量衰減為0。 

　　單原子錫/碳復(fù)合材料的制備，促進了錫基復(fù)合材料的商業(yè)化應(yīng)用，并為長周期循環(huán)的鋰離子電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)行為的全面理解與認識。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和2020李嘉誠基金會跨學(xué)科研究基金的支持。 

　　圖1.（a）SASn/C復(fù)合材料制備流程示意圖，（b）前驅(qū)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，（c-d）FT-IR譜圖，SASn/C材料的Sn k-edge XANES譜圖和（f）R空間，（g）K空間及（h）小波變換擬合結(jié)果，（i）SASn/C材料中Sn原子配位環(huán)境示意圖

圖3.單原子錫碳復(fù)合材料的循環(huán)性能