解决锂离子电池合金负极材料体积变化问题的新策略

AM

为满足日益增长的能源存储需求,研究人员致力于开发具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池。电化学活性材料如硅、锗、锡、氧化锡等由于其高理论容量而受到广泛关注,但这些材料在脱/嵌锂过程中存在显著的体积变化,容易导致容量的快速衰退。南京师范大学化学与材料科学学院周小四博士课题组基于这一问题进行了深入研究,显著提高了氧化锡负极材料的循环稳定性与倍率性能。

最近研究结果显示静电纺丝法由于其优异的可设计性和高扩展性正逐渐成为制备电极材料的主要方法之一。然而,通过静电纺丝法制备出超均匀的活性物质/碳纳米杂化物电极材料鲜有报道,但这一结构对于储锂却非常理想,因为它很好地解决了导致容量衰退的三个问题,包括粉化,颗粒聚集,以及不稳定的固体电解质膜。为解决这一难题,该研究组通过结合溶剂置换和静电纺丝法制备出一维超均匀的SnOx/碳纳米杂化物(如图所示)。X射线近边结构与二次离子质谱分析显示所制备纳米杂化物中SnOx为非晶态,且与碳纳米纤维载体之间均匀复合并形成Sn−N键,从而有效地束缚SnOx。这一独特纳米结构不仅能够有效缓冲SnOx在脱/嵌锂过程中的巨大体积变化并抑制SnOx的聚集,还起到促进锂离子扩散与电子传输作用。另外,碳纳米纤维载体的存在有利于形成稳定的固体电解质膜,可以防止电解液的进一步分解。所制备的超均匀SnOx/碳纳米杂化物在作为锂离子电池负极材料时表现出优异的循环性能(循环200圈后的可逆容量为608 mA h g−1)和高倍率性能。该研究结果为解决其它储锂合金负极材料如硅、锗、锡的体积变化问题提供新方法。