【研究简介】

普遍认为钠离子电池最大的短板体积能量密度低。锡（Sn）具有高理论比容量和优异的压实密度，成为解决该短板的重要候选负极材料。然而，锡存在循环稳定性差的问题，加之其莫氏硬度较低，在电极匀浆过程中易发生颗粒冷压焊与团聚，阻碍了锡负极的实际应用发展。

近日，中国科学院物理研究所的胡勇胜研究员、谢飞副研究员团队提出了一种单壁碳纳米管（SWCNT）构建加固交联网络的策略，成功研发出活性物质占比高达92 wt.%的微米锡负极（9226-SWCNT）。该负极在0.1 A/g倍率下比容量可高达789.4 mAh/g，首周库仑效率89.5%。在2 A/g电流密度下循环超6000次仍保持87.6%的容量保持率。该团队通过将机器学习方法与多尺度表征与理论计算相结合，首次定量化建立了锡颗粒拓扑形貌演化与电化学性能的关联，揭示了在SWCNT交联网络加固下，锡负极充分进行拓扑形貌演化并保持高活性物质高效利用的核心机制。团队将该负极放大制备的首个安时级锡基钠离子电池，实现453 Wh/L的超高体积能量密度，并在4C倍率（15分钟快充）下稳定循环超600次，且拥有良好的低温性能，综合指标优于商用磷酸铁锂/石墨电池。该研究以题目为“Durable Alloy Anode for Na-ion Batteries with High Volumetric Energy Density”的论文发表在《自然·能源》（Nature Energy）。中国科学院物理研究所博士生陈钊、博士李钰琦为本文第一作者。

图1 | 具有交联网络的SWCNT掺杂微米锡负极示意图。

该网络能够实现充分的拓扑形貌演变，并在循环过程中在锡颗粒之间提供连续的力学约束和电连接。

图2 | 拓扑形貌演变和暴露效应。

a，微米锡颗粒拓扑结构分析示意图。b，在钠离子电池中2 A/g循环下，与2%/4% SWCNT交联的微米锡颗粒的拓扑演变程度（表示为β1）与暴露效应程度（表示为暴露锡的面积百分比）和比容量的关系图。c，在SWCNT交联网络包裹下代表暴露效应的微米锡颗粒的截面SEM图像。d，通过机器学习研究微米锡颗粒暴露效应的方案。e，9226-SWCNT和9046-SWCNT的各种循环次数、比容量、暴露锡面积百分比和β1之间的皮尔逊相关系数。网格中的每个数字代表特定两个变量之间的皮尔逊相关系数。

图3 | 制备的微米锡负极在安时级钠离子电池中的实际性能。

a，安时级软包电池生产过程的实物照片。9226-SWCNT电极和锡基多层软包钠离子电池的匀浆、涂布、干燥和辊压过程。b，Na[Cu_1/9Ni_2/9Fe_1/3Mn_1/3]O_2/9226-SWCNT安时级软包电池在1-4.1 V之间、0.1 A电流下的恒流充放电曲线。