泽攸科技原位TEM在先进储能研究中的应用：SnO2@HMCNS的协同效应解析
发布时间：
2025-03-26
当前，市场对高能量密度和高安全性的先进储能系统的需求日益迫切。尽管锂离子电池（LIBs）已被广泛接受，但其在电动车、智能电网和大规模储能站的应用受到了锂资源有限及地理分布不均的限制。作为LIBs的有前景替代品，钠离子电池（SIBs）由于钠资源丰富且成本低，并具有与锂类似的电化学性质而受到越来越多的关注。
当前，市场对高能量密度和高安全性的先进储能系统的需求日益迫切。尽管锂离子电池（LIBs）已被广泛接受，但其在电动车、智能电网和大规模储能站的应用受到了锂资源有限及地理分布不均的限制。作为LIBs的有前景替代品，钠离子电池（SIBs）由于钠资源丰富且成本低，并具有与锂类似的电化学性质而受到越来越多的关注。
然而目前实际应用中的钠离子电池负极材料，如硬碳，仍存在比能量密度低和Na+传输动力学不足的问题。金属钠具有高的理论比容量（1166 mAh g−1）和低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为-2.71 V），被认为是理想的钠金属电池（SMBs）负极材料。但是，由于固体电解质界面（SEI）层反复破裂和再生导致电解液持续消耗，以及循环过程中钠沉积不均匀引发枝晶生长、短路甚至安全隐患等问题，严重阻碍了钠金属电池的商业化进程。
针对上述问题，厦门大学的研究团队利用泽攸科技原位TEM进行了深入研究，他们成功合成了一种中空介孔碳纳米片负载小于10 nm的SnO2纳米颗粒（SnO2@HMCNS）作为钠金属负极宿主材料，解决了钠枝晶生长和离子传输缓慢的问题。相关成果以“Synergistic Effect of Mesoporous Carbon-Based Framework with Sodiophilic Nanoparticles for Stable Sodium Metal Anodes”发表在《Advanced Functional Materials》期刊，原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502032
这篇论文主要研究了一种结合介孔碳基框架与亲钠纳米颗粒的协同效应，用于稳定钠金属负极的设计与性能优化。研究团队通过化学修饰和结构设计，成功合成了负载小于10 nm SnO2纳米颗粒的中空介孔碳纳米片（SnO2@HMCNS）作为钠金属负极宿主材料。这种设计不仅解决了钠枝晶生长的问题，还显著提升了离子传输效率。SnO2纳米颗粒作为亲钠位点引导均匀的钠沉积，而开放的介孔通道则促进了离子传输并有效稳定了亲钠种子，从而降低了成核过电位，并实现了长期无枝晶的钠沉积。
在实验过程中，研究团队通过对SnO2@HMCNS材料的形貌、晶体结构及化学组成进行了全面表征，验证了其优异的性能。SnO2纳米颗粒分布在碳纳米片表面并嵌入介孔通道内，这种结构不仅能防止SnO2颗粒聚集，还能限制其在充放电过程中的体积变化，从而延长循环寿命。此外，介孔通道显著增加了材料的比表面积，为Na+提供了更快的表面扩散路径。当介孔通道被钠金属填满时，新形成的Na/C界面进一步加速了界面扩散，从而提高了传输动力学性能。
电化学测试结果表明，SnO2@HMCNS电极在高面积容量下表现出卓越的循环稳定性，在4 mA cm−2电流密度下的2 mAh cm−2容量循环约1800小时，平均库仑效率高达99.8%。对比实验显示，仅依赖碳基质或SnO2纳米颗粒的材料无法实现类似的长期稳定性。这突出了介孔碳框架与亲钠种子之间的协同作用，既提供了高效的Na+传输通道，又为亲钠种子提供了稳定的锚定位点。
最后研究团队将SnO2@HMCNS应用于全电池测试，与Na3V2(PO4)3（NVP）正极组装成无负极钠金属电池，进一步验证了其实际应用潜力。在0.1 A g−1电流密度下，经过200次循环后，电池仍能保持约80%的容量，且库仑效率高达98.1%。这种优异的性能归因于SnO2@HMCNS的独特设计，不仅解决了钠枝晶问题，还显著提升了钠金属负极的长期循环稳定性和倍率性能。这项研究为开发高性能钠金属电池提供了一种可行的策略，同时揭示了亲钠种子与多孔骨架之间相互作用的重要性。
泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：
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