Advanced Functional Materials:硫化锡基材料在锂离子电池和钠离子电池中的应用

锡硫化物是由地球上丰富的硫元素和锡元素组成的,是无毒、低成本的材料。其中,硫化锡和硫化亚锡具有独特的二维层状结构和半导体特性,作为电极材料,通过合金化/脱合金反应存储不同碱金属离子,具有良好的化学稳定性、较高的理论容量和可逆性,在电池中拥有广阔的电化学前景。

扬州大学庞欢教授团队系统综述了硫化锡和硫化亚锡在锂离子电池、钠离子电池等新型电池中的研究成果,包括其结构特点、合成方法、应用前景等,说明硫化锡基材料作为电极材料的巨大潜力。在Advanced Functional Materials上发表了题为“Applications of Tin Sulfide-Based Materials in Lithium-Ion Batteries and Sodium-Ion Batteries”的综述论文(DOI:10.1002/adfm.202001298)。

该综述从材料本身的结构特点着手并列举了相关的理论研究成果,表明硫化锡和硫化亚锡材料作为电极材料优越性。总结了各种硫化锡基材料的合成方法,全面深入分析了硫化锡基材料作为电极材料在锂离子电池和钠离子电池中的作用机理及应用。以锂离子电池为例,硫化锡和硫化亚锡材料与Li+反应生成活泼的Li2S,而反应生成的金属锡则嵌入到锂复合材料的惰性基体中。类似地,在钠离子电池中,基于Na-S之间转化和合金化反应,硫化锡和硫化亚锡可以成为高容量的电极材料。然而,硫化锡基也受到一系列缺点的限制,例如容量保持率低,固有电导率差以及合金化/脱合金过程中的体积膨胀,这会导致电活性材料与集电器之间的接触损耗,甚至引起不良的循环寿命。因此,本文归纳了解决上述问题的策略,主要分为纳米结构设计(以纳米花,纳米片,纳米板等形式)和选择合适的材料(碳质材料或具有相同二维结构的材料)来构建硫化锡基复合材料。最后展望了硫化锡基材料作为未来高能电极材料所面临的机遇与挑战。