【研究簡介】
普遍認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異的壓實密度，成為解決該短板的重要候選負極材料。然而，錫存在循環穩定性差的問題，加之其莫氏硬度較低，在電極勻漿過程中易發生顆粒冷壓焊與團聚，阻礙了錫負極的實際應用發展。
近日，中國科學院物理研究所的胡勇勝研究員、謝飛副研究員團隊提出了一種單壁碳納米管（SWCNT）構建加固交聯網絡的策略，成功研發出活性物質占比高達92 wt.%的微米錫負極（9226-SWCNT）。該負極在0.1 A/g倍率下比容量可高達789.4 mAh/g，首周庫侖效率89.5%。在2 A/g電流密度下循環超6000次仍保持87.6%的容量保持率。該團隊通過將機器學習方法與多尺度表征與理論計算相結合，首次定量化建立了錫顆粒拓撲形貌演化與電化學性能的關聯，揭示了在SWCNT交聯網絡加固下，錫負極充分進行拓撲形貌演化并保持高活性物質高效利用的核心機制。團隊將該負極放大制備的首個安時級錫基鈉離子電池，實現453 Wh/L的超高體積能量密度，并在4C倍率（15分鐘快充）下穩定循環超600次，且擁有良好的低溫性能，綜合指標優于商用磷酸鐵鋰/石墨電池。該研究以題目為“Durable Alloy Anode for Na-ion Batteries with High Volumetric Energy Density”的論文發表在《自然·能源》（Nature Energy）。中國科學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 | 具有交聯網絡的SWCNT摻雜微米錫負極示意圖。
該網絡能夠實現充分的拓撲形貌演變，并在循環過程中在錫顆粒之間提供連續的力學約束和電連接。
圖2 | 拓撲形貌演變和暴露效應。
a，微米錫顆粒拓撲結構分析示意圖。b，在鈉離子電池中2 A/g循環下，與2%/4% SWCNT交聯的微米錫顆粒的拓撲演變程度（表示為β1）與暴露效應程度（表示為暴露錫的面積百分比）和比容量的關系圖。c，在SWCNT交聯網絡包裹下代表暴露效應的微米錫顆粒的截面SEM圖像。d，通過機器學習研究微米錫顆粒暴露效應的方案。e，9226-SWCNT和9046-SWCNT的各種循環次數、比容量、暴露錫面積百分比和β1之間的皮爾遜相關系數。網格中的每個數字代表特定兩個變量之間的皮爾遜相關系數。
圖3 | 制備的微米錫負極在安時級鈉離子電池中的實際性能。
a，安時級軟包電池生產過程的實物照片。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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