近日，四川大學機械工程學院劉文博副教授團隊在下一代高性能鋰離子電池電極結構優化設計與性能提升方面取得重要進展，相關研究成果以“In-situ synthesis of freestanding porous SnOx-decorated Ni3Sn2composites with enhanced Li storage properties”為題發表于工程技術領域國際權威期刊Chemical Engineering Journal。

 

       目前，隨著新能源汽車產業的快速發展，市場對于新一代鋰離子電池的能量密度、功率密度、安全性等方面都提出了更高要求。而傳統鋰離子電池商用石墨陽極理論比容量偏低（僅372 mAh g-1）且嵌鋰電位接近金屬鋰的析出電位，應用時存在極大安全隱患。因此研發高比容量、高安全性、長循環壽命的新型陽極材料替代傳統商用石墨勢在必行。前期研究發現，錫基氧化物（SnOx，x = 1，2）具有更高的理論儲鋰容量（約石墨陽極的兩倍以上）和合適的嵌鋰電位，且與Li反應后原位形成非晶Li2O基質包裹Sn納米顆粒，可促進電化學性能的改善與提升。但是在鋰化-去鋰化過程中，極大體積和結構變化（〜300％）產生的機械應力易引起電極內部活性物質開裂、粉化并與集流體失去電接觸，導致容量和壽命的急劇降低，因此阻礙了其在未來鋰離子電池中的進一步應用和發展。

 

      為解決上述問題，劉文博團隊發展了一種將化學刻蝕與液相自組裝相結合的復合成形方法，以Ni-Sn鑄造合金為原型，利用電偶腐蝕技術，成功制備出一種導電性優良且在0.01-3.0 V (vs. Li/Li+)內對Li+表現為化學惰性的Ni3Sn2型微米多孔集流體，這是現有文獻報道為數不多的低成本非銅基集流體之一，有效拓展了集流體的種類和組成；然后在含氧化劑的電解液中實施去合金化處理，實現了納米多孔SnOx在Ni3Sn2型微米多孔集流體表面的自組裝成形，從而原位制得一種無添加劑（粘結劑和導電劑）型三維分級孔結構SnOx@Ni3Sn2一體化電極（3D-HP SnOx@Ni3Sn2）。研究結果表明，將該電極用作鋰離子電池陽極可獲得優異的儲鋰性能，其首次可逆容量高達2.68 mAh cm-2，100周循環后，容量保持率為85.1％、庫侖效率大于98.4％。此外，與采用傳統“混漿-涂布”工藝制造的同類電極相比，不僅簡化了制造工藝和技術、降低了成本，而且提高了集流體與電極材料之間的結合強度，進一步提升了電池性能。這主要歸因于化學惰性的三維微孔Ni3Sn2能有效緩沖充放電過程中電極內部產生的機械應力并提供了良好的傳質通道，同時原位生長的納米多孔SnOx具有大比表面積和高電化學活性位。該工作將對下一代鋰離子電池用高性能陽極的設計與研制具有重要啟示。

3D-HP SnOx@Ni3Sn2電極的結構表征

3D-HP SnOx@Ni3Sn2電極的電化學性能

 

       該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、香港特別行政區研究資助局（RGC）基金、四川省國際科技創新合作等項目的資助。

 

       原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472100190X