負(fù)極材料是決定鋰離子電池容量的關(guān)鍵因素。近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所燃料清潔轉(zhuǎn)化研究部能源催化與多孔材料課題組副研究員王艷紅與長(zhǎng)沙學(xué)院教授陳晗合作，在鋰離子電池錫基負(fù)極材料研究方面取得重要進(jìn)展，創(chuàng)新性地將具有單原子結(jié)構(gòu)的錫與納米碳球進(jìn)行復(fù)合制備，開(kāi)發(fā)出具有高倍率、長(zhǎng)周期循環(huán)穩(wěn)定的單原子錫/碳復(fù)合負(fù)極材料，這對(duì)鋰離子電池錫基負(fù)極材料的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。 

　　近年來(lái)，單原子復(fù)合材料被應(yīng)用于催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域，單原子復(fù)合材料用做鈉/鉀離子電池負(fù)極材料，可改善材料的動(dòng)力學(xué)行為，抑制其在循環(huán)過(guò)程中的體積變化，提高材料的電化學(xué)性能。金屬錫基材料具有較高的儲(chǔ)鋰容量，但鋰化過(guò)程中Li-Sn合金的形成導(dǎo)致材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶來(lái)巨大的體積膨脹，影響了材料的電化學(xué)性能，阻礙了錫基負(fù)極材料在鋰離子電池中的商業(yè)化應(yīng)用。單原子錫與納米碳球復(fù)合制備的錫基單原子復(fù)合材料，有望解決鋰離子電池負(fù)極材料體積變化大及電化學(xué)性能不佳等問(wèn)題。 

　　燃料清潔轉(zhuǎn)化研究部能源催化與多孔材料課題組致力于鋰離子電池負(fù)極材料的研究，獲多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。在前期工作基礎(chǔ)上，科研人員利用金屬陽(yáng)離子Sn²⁺與酚醛樹(shù)脂中酚羥基之間的靜電相互作用實(shí)現(xiàn)金屬陽(yáng)離子在酚醛樹(shù)脂骨架結(jié)構(gòu)中的原子級(jí)限域封裝，進(jìn)而得到單原子錫/碳復(fù)合材料。在完全鋰化狀態(tài)下每個(gè)錫原子傾向于吸附3個(gè)鋰離子，并在去鋰化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一步脫附反應(yīng)，表現(xiàn)出獨(dú)特的儲(chǔ)鋰機(jī)制。與多步去合金化反應(yīng)得到的常規(guī)錫基負(fù)極材料相比，錫單原子的脫/嵌鋰過(guò)程表現(xiàn)出更快的動(dòng)力學(xué)行為，呈現(xiàn)出不同的電化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)，具有更突出的電化學(xué)性能。該單原子錫/碳復(fù)合材料在1000 mA g^-1電流密度下循環(huán)7000周后容量保持率高達(dá)78.5%（281 mAh g^-1），對(duì)應(yīng)的容量損失率為0.0031%/周，而同樣條件循環(huán)的二氧化錫納米顆粒/碳復(fù)合材料循環(huán)7000周，容量衰減為0。 

　　單原子錫/碳復(fù)合材料的制備，促進(jìn)了錫基復(fù)合材料的商業(yè)化應(yīng)用，并為長(zhǎng)周期循環(huán)的鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的研究?jī)r(jià)值，進(jìn)一步推進(jìn)對(duì)合金化負(fù)極材料在鋰離子電池中電化學(xué)行為的全面理解與認(rèn)識(shí)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和2020李嘉誠(chéng)基金會(huì)跨學(xué)科研究基金的支持。 

　　論文鏈接 

　　圖1.（a）SASn/C復(fù)合材料制備流程示意圖，（b）前驅(qū)體3-AF/Sn和（c）SASn/C的SEM圖片，（d-g）SASn/C材料的EDS mapping圖，（h）SASn/C材料的球差矯正HAADF-STEM圖片 

　　圖2.CNS和SASn/C材料的XPS（a）Sn 3d、（b）O 1s譜圖，（c-d）FT-IR譜圖，SASn/C材料的Sn k-edge XANES譜圖和（f）R空間，（g）K空間及（h）小波變換擬合結(jié)果，（i）SASn/C材料中Sn原子配位環(huán)境示意圖 

　　圖3.單原子錫碳復(fù)合材料的循環(huán)性能