具有优异电化学性能的“可自我修复”的钠离子电池负极材料

马里兰大学王春生教授团队设计了一种具有“可逆自修复”功能的负极材料，从而显著提高了钠离子电池负极材料的可逆充放电容量、倍率性能以及循环寿命。...



由于锂资源在全球范围内分布不均且逐渐枯竭，钠离子电池近年来正引起越来越多的关注。与锂离子电池相比，钠离子电池具有元素廉价、无毒且储量丰富、分布均匀等优点。各种各样的电极材料为钠离子电池的应用提供了多种选择。然而，由于钠离子具有比锂离子更大的离子半径（1.02 Å vs. 0.76 Å），一些锂离子电池负极材料在应用于钠离子电池时，普遍面临着容量低、倍率性能差、循环寿命短等问题。因此，开发一种先进的钠离子电池负极材料对于钠离子电池的实用化至关重要。

针对上述问题，马里兰大学王春生教授团队进行了深入而细致的研究，设计了一种具有“可逆自修复”功能的负极材料，显著提高了钠离子电池负极材料的可逆充放电容量、高倍率性能以及长循环寿命，相关结果发表在Advanced Energy Materials（DOI:10.1002/aenm.201500174）上。该研究团队选取廉价的Sn和P为原料，制备出SnP3化合物，巧妙的利用Sn与P的相互作用，解决了单一材料在循环过程中出现的裂纹缺陷团聚、颗粒粉化等问题，故而大大提高了材料的可逆电化学性能。将此种材料应用于钠离子的负极材料时，可逆充放电容量高于800 mAh/g，并且在150周期的循环充放电后，容量仍能保持稳定。研究发现，当材料在放电（嵌钠）时，SnP3与Na反应生成Na15Sn4和Na3P纳米颗粒。充电时，Na15Sn4与Na3P又可生成SnP3纳米颗粒。反应如下：

SnP3 + 9Na+ + 9e- ↔ Sn + 3Na3P

(1)

4Sn+15Na+ + 15e- ↔ Na15Sn4

(2)

合金反应（2）在循环过程中体积变化剧烈，故而容易产生缺陷增多、颗粒粉化等缺点。该研究团队巧妙利用转换反应（1）弥补了合金反应（2）的缺点，同时利用Sn弥补了P导电性差等不足。故而设计的SnP3材料兼具合金反应和转换反应的优点，而克服了合金反应的缺点。SnP3在经过充放电循环后，可自动转变为原始的初始SnP3相。充电后Sn和P的强的相互作用，大大抑制了单一材料的不足。

该材料表现出的长循环寿命和高容量性能有望应用于新型钠离子电池中。这种利用转换反应来补充合金反应不足的设计方案不但具有有效、简单等特点，而且可以作为一种普适方法，拓展至其他电极材料的研究中。为其他电化学材料的设计和研究提供一种新的研究思路。

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