加大/华理AEM: 基于封装在两亲石墨烯管的Sn4P3的新型钠电负极

钠离子电池 (SIB) 的商业应用由于缺乏具有高容量、合适氧化还原电位和循环稳定性的负极材料而受到阻碍。合金型材料在钠化和脱钠过程中经常会发生巨大的体积变化，最终导致电极粉化、电极碎裂和电极的剧烈循环衰减。

在此，美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授、沈力博士及华东理工大学莫润伟教授等人报道了一种基于封装在两亲性和多孔石墨烯管 (GT) 中的Sn₄P₃的新型复合负极。这种两亲GT由内部亲水石墨烯管（N掺杂）和外部疏水石墨烯管（未掺杂）组成，这保证了Sn₄P₃纳米颗粒在GT内的有限生长和纳米颗粒体积膨胀的有效调节。GT分散在含有水系Sn前体的水溶液中，允许溶液渗透到亲水管中。

随后的水热处理将前驱体转化为SnO₂，从而形成了在管内生长的SnO₂纳米颗粒的GT复合材料。值得注意的是，SnO₂纳米粒子也可能在GT外部和溶液中生长，可以通过洗涤和过滤轻松去除，从而形成具有良好封装的SnO₂纳米粒子的GT复合材料。最后，封装的SnO₂通过磷化处理转化为Sn₄P₃，导致形成 Sn₄P₃/GT复合材料，其中Sn₄P₃限制在GT内。

图1. Sn₄P₃/GT复合电极的电化学性能

与现有技术相比，独特的两亲性允许在N掺杂的GT内单独形成Sn₄P₃颗粒，这不仅适应了其在钠化和去钠过程中的体积变化，而且还将这些颗粒及其环状化合物保留在GT内。此外，导电GT以及纳米Sn₄P₃还提供了更快的电子和离子传输速率。

因此，Sn₄P₃/GT复合负极具有高可逆容量（821 mAh g^-1@0.2 A g^-1）、优异的倍率性能（326 mAh g^-1@20 A g^-1）和出色的循环稳定性（500次循环后可逆容量保持率>90%）。这种策略可以扩展到在充放电过程中经历剧烈体积变化的其他转化型和合金型材料。

图2. Sn₄P₃/GT复合电极的钠化/脱钠机制

High Performance Sodium Ion Anodes Based on Sn₄P₃ Encapsulated within Amphiphilic Graphene Tubes, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102345

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加大/华理AEM: 基于封装在两亲石墨烯管的Sn4P3的新型钠电负极

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