開發具有優異電化學性能的新型負極材料用于鋰離子電池顯得尤為迫切。本文利用微波等離子體技術成功地將SnO2/NGA轉化為三元鈉離子電池負極SnO2@Sn/NGA。該負極具有優異的電化學性能，較高的比容量，卓越的倍率性能和穩定的循環性能。這種獨特的納米復合材料設計可以推廣到其他合金型負極材料并應用于鈉離子電池和鋰離子電池中。

 

       隨著化石燃料不斷消耗和環境問題的日益嚴重，尋找環境友好型儲能技術就顯得尤為關鍵。鈉離子電池（SIBs）作為鋰離子電池（LIBs）的替代品且資源豐富，價格低廉逐漸受到人們的青睞。不幸的是，由于鈉離子半徑的限制，商用石墨（SIBs：372mAh g-1）并不能提供滿意的儲鈉容量。因而，開發具有優異電化學性能的新型負極材料用于SIBs就顯得尤為迫切。鑒于此，兼具高比容量（667mAh g-1）、適中電化學窗口，環境友好的SnO2被用作負極材料而廣泛研究。然而，SnO2在后續電池循環使用過程中除了材料自身體積膨脹和低電導率問題之外，還出現了其自身難以克服的問題：（1）轉化反應生成的Na2O（SnO2+ 4Na++ 4e- ⇌ Sn +2Na2O）會造成較大的不可逆容量損失和較低的初始庫倫效率。雖然Na2O具有防止顆粒團聚的作用，但是不穩定的Sn/Na2O界面不能阻止相分離和自聚集，從而大大降低了反應的可逆性。（2）循環過程中Sn顆粒逐漸團聚進一步減慢Na+在后續合金反應中的擴散（Sn+ xNa++ xe- ⇌ NaxSn）。

 

       近期，南京郵電大學余柯涵教授（通訊作者）等通過微波等離子體工藝，巧妙構筑了核殼結構的SnO2@Sn/氮摻雜石墨烯氣凝膠（SnO2@Sn/NGA），在電池第一次放電過程中就獲得了穩定的Na2O@Sn界面，大大提高了轉化反應的可逆性；同時，較薄的Na2O層不僅可以促進Na+的擴散，又能很有效地防止Sn粒子的團聚。此外，等離子體減少了石墨烯中的含氧官能團，使其導電性和電化學性能得到了明顯的改善。基于這些優點，SnO2@Sn/NGA作為負極表現出優異的儲鈉性能。相關成果以“Plasma-enabled ternary SnO2@Sn/nitrogen-doped graphene aerogel anode for sodium-ion batteries” 為題發表在CHEMELECTROCHEM，并入選封面論文。論文第一作者為研究生馬裕杰。

 

       論文鏈接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202000197

圖1、通過水熱合成反應以及微波等離子體工藝合成SnO2@Sn/NGA的示意圖。

圖2、SnO2@Sn/NGA的形貌和結構表征。（a）SnO2/NGA的SEM圖像，（b-c）SnO2@Sn/NGA的SEM和TEM圖像，（d-f）SnO2@Sn/NGA的HRTEM圖像和元素分布圖像。

圖3、XPS分析以及XRD和Raman表征（a）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XPS全譜，（b-e）Sn3d和C 1s的高分辨率XPS光譜，（f）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XRD衍射譜，（g）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的拉曼光譜。

圖4、SnO2@Sn/NGA負極組裝電池的電化學性能測試（a）SnO2@Sn/NGA的CV曲線，（b）SnO2@Sn/NGA的充放電曲線，（c-d）SnO2@Sn/NGA和對照樣品的循環曲線和倍率曲線，（e）SnO2@Sn/NGA不同電流密度下循環曲線，（f）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的交流阻抗曲線。

圖5、電極使用后的SEM表征。2A g-1循環200圈后的電極（a-d）SnO2@Sn/NGA，（e-h）SnO2/NGA。

 

       總之，本文利用微波等離子體技術成功地將SnO2/NGA轉化為三元鈉離子電池負極SnO2@Sn/NGA。核殼結構的SnO2@Sn保證了Na2O可以通過多種方式改善負極的電化學性能，特別是防止顆粒團聚，穩定電極結構，改善Na+擴散途徑，保證Sn⇌SnO2的可逆轉化。因此，該負極具有優異的電化學性能，較高的比容量，卓越的倍率性能和穩定的循環性能。同時，隨著NGA石墨化程度的提高進一步促進倍率性能。此外，這種獨特的納米復合材料設計可以推廣到其他合金型負極材料并應用于鈉離子電池和鋰離子電池中。（感謝韋瑋教授研究團隊的解讀）