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《【ACS Nano】高性能电池负极材料：硬碳-锡纳米复合材料》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-04-23

  • 研究机构：浦项科技大学（POSTECH）与韩国能源研究所（KIER）联合团队

    研究人员：POSTECH的Soojin Park教授、Sungho Choi博士、Dong-Yeob Han博士，KIER的Gyujin Song博士

    研究内容：

    为满足电动汽车和大规模储能系统（ESS）对超快充电、高能量密度电池的需求，研究团队开发了一种新型负极材料，结合了硬碳和锡（Sn）的优势。硬碳具有丰富的微孔结构，可加速锂/钠离子扩散，而锡纳米颗粒则通过溶胶-凝胶法和热还原法均匀嵌入硬碳基质中，形成小于10纳米的颗粒。这种复合结构不仅抑制了锡在循环中的体积膨胀问题，还通过Sn-O键的可逆形成提升了电池容量。

    效果：锂离子电池：在20分钟快充条件下稳定循环1500次，体积能量密度比传统石墨负极高1.5倍。钠离子电池：在钠离子反应活性较差的条件下仍保持高稳定性和快速动力学性能。

    该材料成功整合了高功率、高能量密度和长循环寿命，适用于多类电池平台。

    意义：研究为下一代高性能电池开发提供了新方向，有望推动电动汽车、混合动力系统和电网级ESS的应用。

    原文链接：Sungho Choi et al, Catalytic Tin Nanodots in Hard Carbon Structures for Enhanced Volumetric and Power Density Batteries, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c00528

  • 原文来源：https://phys.org/news/2025-04-hard-carbon-tin-nano-composite.html
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  • 《通过低温氧化定制氧化物/MAX相纳米复合材料用于锂离子电池负极：原位研究揭示电化学机制》
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    • 发布时间：2025-09-28
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）组成的固溶体，后者可作为坚固框架抑制体积变化。在此背景下，本研究创新性地提出通过MAX相低温氧化制备纳米复合材料的方法。MAX相是一类具有M n+1 AX n 化学式的三维材料，兼具金属和陶瓷特性（高导电性和化学稳定性）。通过精确调控MAX相组成并控制氧化过程，可直接从MAX相原位形成纳米结构的氧化物（TiO 2 和SnO 2 ），并将其嵌入三维结构中，从而最小化开裂可能性。 最近研究表明，在空气中600°C下控制氧化含Sn的MAX相（Ti 3 Al 1-x Sn x C 2 ，x=0.4或0.7）可得到性能优异的LIBs负极材料。然而，氧化机制及其对电化学行为的直接影响仍不清楚。本研究首次对富Sn MAX相的氧化过程进行了全面研究，结合原位分析和先进表征技术，系统阐明了氧化反应路径及其与电化学性能的关联。 2 结果与讨论 2.1 MAX相氧化研究 通过热重分析（TGA）和原位X射线衍射（XRD）研究了SnHigh（Ti 3 Al 0.3 Sn 0.7 C 2 ）的部分氧化过程。TGA显示重量增加是由于形成TiO 2 、SnO 2 和Al 2 O 3 ，尽管碳以CO 2 形式损失。氧化反应分两步进行，归因于Ti和Sn的氧化，形成金红石/锡石结构，随后Sn和Al完全氧化为相应氧化物。 原位XRD表明样品在300°C以下稳定，400°C以上MAX相衍射峰强度逐渐降低，550°C以上出现宽化的新峰，1000°C时可见清晰的金红石/锡石和氧化铝衍射峰，而MAX相衍射峰几乎消失。通过结合氧化反应方程和质量增加数据，可获得组分的质量分数随热处理温度的变化趋势。 采用ex situ X射线吸收光谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）和 119 Sn穆斯堡尔谱研究了SnHigh_Ox600、SnHigh_Ox700和SnHigh_Ox850样品。Sn K-edge XAS显示，热处理样品光谱与SnO 2 类似，表明锡的氧化态接近Sn(IV)。但SnHigh_Ox600和SnHigh_Ox700光谱相对于参比略有低能位移，表明确有一部分锡仍存在于MAX相中，而SnHigh_Ox850中所有锡均以Sn(IV)形式存在于金红石型相中。 XPS分析表明，经过热处理的SnHigh_Ox700中Ti完全氧化为TiO 2 ，Sn 3d光谱显示存在亚化学计量的Sn(IV)氧化物（SnO 2-x ）。C 1s光谱中MAX相的低结合能碳化物组分消失，Al 2p结合能从72.45 eV移至74.20 eV，表明从金属Al变为Al 2 O 3 。 119 Sn穆斯堡尔谱显示，原始SnHigh谱图为不对称四极双峰，属于锡合金特征。SnHigh_Ox600和SnHigh_Ox700谱图中出现Sn(IV)氧化物贡献，其相对共振面积从38%增至47%，表明更多锡被氧化。SnHigh_Ox850谱图仅显示锡石SnO 2 贡献，表明MAX相的含锡部分完全氧化。 2.2 退火MAX相的组成和电化学性能 不同氧化温度下形成的TiO 2 、SnO 2 及其固溶体的量是优化电化学性能的关键参数。SnHigh_Ox850虽然首次循环比容量最高（402 mAh g ?1 ），但其首圈可逆性较低（52.4%），且循环约50圈后容量急剧下降，这与合金化过程中的体积变化导致电极破裂有关。而SnHigh_Ox600和SnHigh_Ox700未出现此行为，表明残留MAX相有助于电极抵抗循环过程中的机械应力。 SnHigh_Ox700表现出最佳性能平衡：首圈容量347 mAh g ?1 ，平均库伦效率99.2%±1.9，使其成为长期使用的理想候选材料。 2.3 SnHigh_Ox700的结构、形态和电化学性能 XRD精修表明SnHigh_Ox700中主要晶相为(Ti/Sn)O 2 （约77%），312和211 MAX相共占约23%。精修使用两种不同晶胞参数和晶粒尺寸的(Ti/Sn)O 2 种群，表明获得了两种不同的Ti/Sn氧化物组成。 SEM显示颗粒尺寸分布广泛（1-5 μm），最大颗粒为二次团聚结构。每个MAX颗粒表面覆盖着致密的纳米颗粒层。TEM进一步显示微米级颗粒完全被尺寸10-20 nm的纳米晶体结构覆盖。HRTEM分析显示这些纳米域属于金红石相家族（包括TiO 2 、SnO 2 及其固溶体），其(110)面间距介于纯TiO 2 （0.324 nm）和SnO 2 （0.335 nm）之间，且不同区域发现可变的Sn/Ti比。 电化学测试显示，首次循环中1.1-1.2 V的平台对应SnO 2 向金属Sn的转换反应，第二次循环时该平台显著缩短，证实该反应主要不可逆。0.4-0.5 V的斜率变化（及微分容量中的峰）与Sn合金化反应相关，两次循环间保持不变，证明该过程良好的可逆性。第二次锂化时从1.7 V开始观察到容量的微小贡献，可能与金红石的锂化有关。 倍率性能测试显示，可逆比容量从50 mA g ?1 时的294-291 mAh g ?1 逐渐降至2000 mA g ?1 时的133±1 mAh g ?1 。库伦效率在最初循环为96.1%，循环过程中逐渐增加，最后稳定在95.5%。这种优异的高倍率性能是该材料的显著特征之一，明显优于传统石墨负极。 使用SnHigh_Ox700负极与商业NMC811正极组装的全电池测试显示，平均比容量157±12 mAh g ?1 ，平均库伦效率98.5±1.8%，平均往返效率95.6±1.5%。在此条件下，负极的全容量未充分利用，正极是全电池容量的限制因素。通过优化两电极间的容量平衡，可预期性能提升。 2.4 SnHigh_Ox700的电化学机制 通过原位Sn K-edge XAS揭示了SnHigh_Ox700样品在锂化过程中的电子和结构变化。锂化过程中光谱迅速向低能方向移动，白线强度急剧下降，表明Sn(IV)还原为Sn(0)。在约0.45 V vs Li + /Li时，远在锂化结束前，所有锡均已处于金属态。然而，0.4 V记录的光谱与参比锡箔不完全匹配，0.4 V和0.01 V的光谱也存在显著差异，这归因于Sn-Li合金的形成。 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）区域也观察到0.4 V和0.01 V光谱间的强烈差异。0.4 V光谱显示与锡箔大致相同的振荡（尽管明显阻尼），而0.01 V光谱显示几乎平坦的EXAFS信号，表明短程有序非常有限，与非晶Li-Sn物种的形成一致。 通过线性组合拟合（LCF）对XAS光谱进行半定量评估，结果表明在1.0-0.6 V的第一个平台期间，Sn(IV)被还原为锡金属（转换反应）。然而，在转换仍在进行时，Sn-Li合金开始形成，表明转换和合金化机制同时进行一段时间。在第二个平台期间，剩余Sn(IV)完全还原为Sn(0)，而Li-Sn合金量增加，消耗金属锡。随着电位进一步降低，Li-Sn合金量增加，在锂化结束时达到最大浓度。在随后的脱锂过程中，白线强度和边能位置均未恢复，表明高度不可逆。LCF显示由于脱合金反应，部分重新形成金属Sn(0)。此外，约1 V以上，部分锡重新氧化为Sn(IV)物种。 原位和ex situ TEM研究补充了XAS分析。ex situ HRTEM测量显示，在首次锂化0.7 V时，观察到10-20 nm范围的球形颗粒团聚体，这些颗粒可识别为锡金属（晶面间距0.201 nm，对应金属Sn的(211)面）。重建衍射图中的主峰被识别为Li 4 Ti 5 O 12 （LTO），可能在Ti 1-x Sn x O 2 固溶体的锂化/转换过程中产生。0.01 V时样品形态模糊难辨，衍射强度图中大隆起主导d-间距，可能来自LiSn宽信号的卷积。3 V时观察到5-10 nm的小晶体颗粒，域明显小于原始材料，可能由于锂化和脱锂过程中的体积变化导致降解。重建衍射图更难解析，因为小域产生更宽、更混乱的峰。 通过原位TEM跟踪了锂化过程中材料的体积膨胀。在这些实验中，附着在铜线上的SnHigh_Ox700颗粒与钨线上沉积的金属锂接触，锂金属上天然的Li 2 O薄钝化层作为固体电解质。两个实验中，将偏压以0.1增量增加至1.5 V，每步暂停10分钟以使反应缓慢进行并确定优化值。1.5 V最佳偏压施加20秒诱导接触点附近氧化物颗粒膨胀，而核心保持不变。约100秒后，整个外部纳米颗粒壳溶胀。通过分析过程中图像帧可估计颗粒溶胀：颗粒1原始面积（11.6×10 4 nm 2 ）和颗粒2（1.6×10 4 nm 2 ）在100秒后分别增加20%和34%。这些值与SnO 2 锂化过程中预期体积膨胀300/400%一致，因此物种覆盖在不反应的MAX相核心表面。 通过ex situ 119 Sn穆斯堡尔谱研究了循环过程中锡物种的演化。与OCV原始电极相比，0.7 V锂化电极谱图显示锡氧化物峰强度降低，并出现新的未分辨双峰（同质异能位移2.5 mm s ?1 ），属于β-Sn金属典型范围。假设MAX相不反应且其绝对量在锂化过程中不变，其双峰强度与Sn(IV)强度比可用于估计转化为锡金属的Sn(IV)分数。基于此，Sn(IV)转化在0.7 V接近90%。在0.01 V锂化电极谱图中，主未分辨双峰强度增加并从2.5移至2.15 mm s ?1 ，这与形成成分接近Li 7 Sn 2 的Li-Sn合金有关。最后，在3 V再锂化电极谱图中，可验证合金化-脱合金过程的可逆性，主信号移回2.5 mm s ?1 （β-Sn典型）。Sn(IV)相对量与MAX相相比强度未明显变化，表明转换反应仅非常部分可逆。 3 结论 控制氧化含Sn MAX相Ti 3 Al 0.3 Sn 0.7 C 2 是开发具有优异电化学性能的纳米结构复合材料的有效策略，可用于LIBs负极。该方法依赖于热氧化MAX相，导致钛（TiO 2 ）和锡（SnO 2 ）氧化物装饰残留MAX相核心表面，共同创建具有独特特征的复合材料。在600至850°C间精心调控温度下的氧化处理研究中，700°C处理的SnHigh_Ox700样品因其氧化物和残留MAX相的平衡组成而成为最佳材料，实现了比容量和可逆性间的优异权衡。 此处提出的方法相比组分的常规机械混合具有两个内在优势：首先，活性氧化物在MAX表面的直接生长确保更有效的电荷传输，因为电子可通过MAX移动并通过紧密电接触到达Sn/TiO 2 纳米颗粒，同时纳米颗粒完全暴露于电解质和离子流；其次，独特的“量子点”状形态使材料能够适应SnO 2 等转换/合金化材料典型的体积变化相关机械应力。残留高导电MAX相因此对于稳定电极至关重要，有效缓冲重复充放电循环过程中的体积波动，同时允许有效的电子渗透网络。 先进原位分析（XAS、XRD和TEM）用于阐明电化学（脱）锂机制，并仔细检查了不同活性材料对电化学行为的贡献。虽然Al 2 O 3 和原始未反应MAX相由于其低量（Al 2 O 3 ）或惰性行为（两者）不提供显著容量，但对SnO 2 作用及其反应机制的深入研究揭示了SnO 2 向金属Sn的部分可逆转化以及Sn和Li间的可逆合金化反应。锂化过程中形成具有有限短程有序的纳米级Li-Sn合金颗粒，同时氧化物纳米颗粒体积膨胀，如原位TEM研究证实。 SnHigh_Ox700在全电池配置中使用NMC作为正极的测试显示出优异性能，突出了其实际应用潜力。通过控制氧化实现的纳米结构设计，结合氧化物和残留MAX相的独特组成，在提高稳定性和电化学性能方面发挥关键作用。 
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