杨应奎教授、章庆副教授、李晓锋教授， Nano Energy：锡团簇调控电子缺陷碳纳米纤维：

第一作者：赖琦

通讯作者：杨应奎*，章庆*，李晓锋*

单位：武汉纺织大学，中南民族大学，香港理工大学，北京化工大学

锂离子电池的传统石墨负极受限于理论容量低（372 mAh/g），难以满足高能量密度需求。锡（Sn）基负极凭借其高容量（994 mAh/g）、适中电压和环境友好性成为理想替代，却面临两大难题：合金化体积膨胀畸变（>300%）引发电极结构崩塌，界面电子泄漏引发电解液持续分解，形成不稳定固体电解质界面（SEI），加速活性锂不可逆损耗，严重缩短循环寿命。

基于此，武汉纺织大学杨应奎教授、中南民族大学章庆副教授、北京化工大学李晓锋教授在国际期刊Nano Energy上联合发表题为“Atomic Sn Clusters Engineered Electron-Deficient Carbon Nanofibers Enable Bulk-Interface Synergy for High-Capacity and Durable Lithium-Ion Batteries”的研究文章。在这项研究工作中，研究人员通过电纺丝与碳热还原技术，将超小锡团簇（<3 nm）均匀嵌入氮掺杂碳纳米纤维中来实现锡团簇调控电子缺陷碳纳米纤维，构建了体相-界面协同增强的锡基负极材料 (ASC@NCNF)。其中，ASC@NCNF自支撑电极材料在0.1 A g^-1下比容量超过1200 mAh g^-1 (基于复合材料整体质量)，在10 A g^-1下循环10000圈后容量保持率为60%。此外，NCM811||ASC@NCNF 软包电池在1C下循环100圈后可维持 ~ 0.7 Ah 的高容量。

ASC@NCNF负极的合成示意图及体相-界面协同增强机制

基于聚乙烯吡咯烷酮疏水碳链的位阻排斥效应及结构导向协同作用，结合氮掺杂碳的配位特性，在碳热还原过程中实现了对Sn物种团聚与晶化的双重抑制。通过Sn-N配位键的定向锚定作用，成功构建了非晶态Sn纳米团簇在碳基体中的原子级分散体系。该非晶结构可暴露大量活性位点，大幅提升电化学性能。

要点二：体相-界面协同增强机制

通过Sn-N键引发的局域电荷再分配，氮掺杂碳基底形成电子缺陷态（基体区域电子密度显著降低），该电子结构重构有效抑制自支撑电极中高电活性表面积引发的电极/电解液界面副反应，避免电解液过度还原及SEI膜不可控生长。Sn-N键强耦合作用将非晶锡团簇锚定于碳基底，循环后无团簇迁移/粗化，阻断活性物质团聚引发的体相恶化。得益于非晶锡团簇独特的各向同性锂化膨胀特性，电极循环后体积变化仅 ~ 2%（传统晶态材料 ~ 15%），避免应力集中导致的SEI反复破裂和电极粉化。

要点三：极端条件适应性和实用化软包电池

ASC@NCNF电极材料在0.5 A g^-1、-30 ℃下仍能维持稳定的循环。与NCM811正极组装的软包全电池在1C循环100圈后，容量保持率为98%。为电极材料结合原子尺度设计和宏观电极性能优化提供了参考。

“Atomic Sn Clusters Engineered Electron-Deficient Carbon Nanofibers Enable Bulk-Interface Synergy for High-Capacity and Durable Lithium-Ion Batteries”

杨应奎教授简介：硕士生/博士生导师，英国皇家化学会会士，纺织新材料与先进加工全国重点实验室常务副主任，武创院现代纺织技术研究所所长，武汉纺织大学材料科学与工程学院执行院长。国家民委领军人才支持计划、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、湖北省创新群体负责人、湖北省杰出青年科学基金、湖北省楚天学者计划和全国百篇优秀博士学位论文（提名奖）入选者。湖北省化学化工学会理事，SCI源刊Energy & Environmental Materials创刊副主编。长期从事聚合物及纤维基能源材料的基础研究和应用开发，主持国家自然科学基金(6项)、省部级重点项目和企业合作项目等30余项。迄今，以第一/通讯作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie、Materials Science & Engineering R、Materials Today、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Acs Nano、Nano Energy、Macromolecules等主流期刊上发表sci论文160多篇，其中封面论文20篇；主/参编中英文专著9部；获授权中国发明专利21项，完成技术转化3项；获省部级奖励6项。牵头创建了石墨烯研发中心、热管理与智能隐身纺织品研发中心，聚焦石墨烯产业化应用，入选广东佛山"蓝海人才计划"创新创业团队，依托团队技术创立公司入选国家高新技术企业，开发出系列新产品，产生了良好的经济和社会效益。

网址：http://www.polymer.cn/ss/ykyang/index.html; 

E-mail：ykyang@wtu.edu.cn。

杨应奎教授课题组致力于碳中和能源高分子材料研究，课题组拥有材料合成、原位表征及器件测试的全链条研究平台，在电池、电催化、光电催化等领域取得多项突破性成果。