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      開發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于鋰離子電池顯得尤為迫切。本文利用微波等離子體技術(shù)成功地將SnO2/NGA轉(zhuǎn)化為三元鈉離子電池負(fù)極SnO2@Sn/NGA。該負(fù)極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，較高的比容量，卓越的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。這種獨(dú)特的納米復(fù)合材料設(shè)計可以推廣到其他合金型負(fù)極材料并應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池中。

 

       隨著化石燃料不斷消耗和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，尋找環(huán)境友好型儲能技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵。鈉離子電池（SIBs）作為鋰離子電池（LIBs）的替代品且資源豐富，價格低廉逐漸受到人們的青睞。不幸的是，由于鈉離子半徑的限制，商用石墨（SIBs：372mAh g-1）并不能提供滿意的儲鈉容量。因而，開發(fā)具有優(yōu)異電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料用于SIBs就顯得尤為迫切。鑒于此，兼具高比容量（667mAh g-1）、適中電化學(xué)窗口，環(huán)境友好的SnO2被用作負(fù)極材料而廣泛研究。然而，SnO2在后續(xù)電池循環(huán)使用過程中除了材料自身體積膨脹和低電導(dǎo)率問題之外，還出現(xiàn)了其自身難以克服的問題：（1）轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成的Na2O（SnO2+ 4Na++ 4e- ⇌ Sn +2Na2O）會造成較大的不可逆容量損失和較低的初始庫倫效率。雖然Na2O具有防止顆粒團(tuán)聚的作用，但是不穩(wěn)定的Sn/Na2O界面不能阻止相分離和自聚集，從而大大降低了反應(yīng)的可逆性。（2）循環(huán)過程中Sn顆粒逐漸團(tuán)聚進(jìn)一步減慢Na+在后續(xù)合金反應(yīng)中的擴(kuò)散（Sn+ xNa++ xe- ⇌ NaxSn）。

 

       近期，南京郵電大學(xué)余柯涵教授（通訊作者）等通過微波等離子體工藝，巧妙構(gòu)筑了核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn/氮摻雜石墨烯氣凝膠（SnO2@Sn/NGA），在電池第一次放電過程中就獲得了穩(wěn)定的Na2O@Sn界面，大大提高了轉(zhuǎn)化反應(yīng)的可逆性；同時，較薄的Na2O層不僅可以促進(jìn)Na+的擴(kuò)散，又能很有效地防止Sn粒子的團(tuán)聚。此外，等離子體減少了石墨烯中的含氧官能團(tuán)，使其導(dǎo)電性和電化學(xué)性能得到了明顯的改善。基于這些優(yōu)點(diǎn)，SnO2@Sn/NGA作為負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鈉性能。相關(guān)成果以“Plasma-enabled ternary SnO2@Sn/nitrogen-doped graphene aerogel anode for sodium-ion batteries” 為題發(fā)表在CHEMELECTROCHEM，并入選封面論文。論文第一作者為研究生馬裕杰。

 

       論文鏈接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202000197

圖1、通過水熱合成反應(yīng)以及微波等離子體工藝合成SnO2@Sn/NGA的示意圖。

圖2、SnO2@Sn/NGA的形貌和結(jié)構(gòu)表征。（a）SnO2/NGA的SEM圖像，（b-c）SnO2@Sn/NGA的SEM和TEM圖像，（d-f）SnO2@Sn/NGA的HRTEM圖像和元素分布圖像。

圖3、XPS分析以及XRD和Raman表征（a）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XPS全譜，（b-e）Sn3d和C 1s的高分辨率XPS光譜，（f）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的XRD衍射譜，（g）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的拉曼光譜。

圖4、SnO2@Sn/NGA負(fù)極組裝電池的電化學(xué)性能測試（a）SnO2@Sn/NGA的CV曲線，（b）SnO2@Sn/NGA的充放電曲線，（c-d）SnO2@Sn/NGA和對照樣品的循環(huán)曲線和倍率曲線，（e）SnO2@Sn/NGA不同電流密度下循環(huán)曲線，（f）SnO2/NGA和SnO2@Sn/NGA的交流阻抗曲線。

圖5、電極使用后的SEM表征。2A g-1循環(huán)200圈后的電極（a-d）SnO2@Sn/NGA，（e-h）SnO2/NGA。

 

       總之，本文利用微波等離子體技術(shù)成功地將SnO2/NGA轉(zhuǎn)化為三元鈉離子電池負(fù)極SnO2@Sn/NGA。核殼結(jié)構(gòu)的SnO2@Sn保證了Na2O可以通過多種方式改善負(fù)極的電化學(xué)性能，特別是防止顆粒團(tuán)聚，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，改善Na+擴(kuò)散途徑，保證Sn⇌SnO2的可逆轉(zhuǎn)化。因此，該負(fù)極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，較高的比容量，卓越的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。同時，隨著NGA石墨化程度的提高進(jìn)一步促進(jìn)倍率性能。此外，這種獨(dú)特的納米復(fù)合材料設(shè)計可以推廣到其他合金型負(fù)極材料并應(yīng)用于鈉離子電池和鋰離子電池中。（感謝韋瑋教授研究團(tuán)隊的解讀）