孙灵娜教授&杨会颖教授JMCA观点：限定Sb2Se3纳米棒于介孔碳壳内形成具有内嵌缓冲空间的Yolk-Shell结构用于稳定储锂- 大数跨境

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孙灵娜教授&杨会颖教授JMCA观点：限定Sb2Se3纳米棒于介孔碳壳内形成具有内嵌缓冲空间的Yolk-Shell结构用于稳定储锂

科学材料站

2021-01-09

导读：该观点文章利用自牺牲模板法设计了纳米棒状的Yolk-Shell结构，创造了一个稳定的电化学反应环境来缓解Sb2Se3纳米棒严重的体积膨胀，从而在嵌锂和脱锂过程中保持结构完整性。

文章信息

限定Sb2Se3纳米棒于介孔碳壳内形成具有内嵌缓冲空间的Yolk-Shell结构用于稳定储锂

第一作者：张颖朦

通讯作者：孙灵娜*，杨会颖*

单位：深圳大学，新加坡科技设计大学

研究背景

负极材料作为锂离子电池（LIBs）的重要组成部分之一，对LIBs的性能有很大影响，因此，设计具有高能量密度、稳定长循环寿命以及合适工作电位的负极材料是LIBs研发的主要挑战。已经报道的负极材料包括插层型材料（如石墨、硬碳等），转化型材料（如金属氧化物、硫化物、硒化物等）和合金型材料（如Si、P、Sn、Sb等）。

其中，Sb基材料（包括氧化物、硫化物、硒化物及其复合材料）因其相对较低的价格和较高的理论比容量从而引起了许多研究人员的注意。不幸的是，Sb基材料在锂化/脱锂化过程中，较大的体积膨胀最终会使得材料发生碎裂、粉化和脱落以及电极的极化变形，从而导致严重的容量衰减。

本文为产生较大体积膨胀的转化型和合金型材料的设计和改性提供了研究思路，推进了高性能稳定负极材料的研发和应用。

文章简介

近日，来自深圳大学的孙灵娜教授与新加坡科技设计大学的杨会颖教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Confining Sb2Se3 nanorod yolk in mesoporous carbon shell with an in-built buffer space for stable Li-ion batteries”的观点文章。

该观点文章利用自牺牲模板法设计了纳米棒状的Yolk-Shell结构，创造了一个稳定的电化学反应环境来缓解Sb2Se3纳米棒严重的体积膨胀，从而在嵌锂和脱锂过程中保持结构完整性。

图1. 在Sb2Se3纳米棒和介孔碳壳之间构筑内嵌缓冲空间用于保持电极结构稳定性和加强电化学反应动力学

本文要点

要点一：双重稳定的结构设计

通过溶剂热法合成Sb2Se3纳米棒作为前驱体和模板，后将SiO2层包覆到Sb2Se3纳米棒表面作为自牺牲模板来构建缓冲空间，接着通过间苯二酚-甲醛（RF）的缩合反应再在其表面包覆一层聚合物膜，最终通过热裂解和酸刻蚀得到Yolk-Shell结构的棒状Sb2Se3@Void@C。Yolk-Shell结构在Sb2Se3纳米棒内核和介孔碳外壳之间构筑了一个内嵌的缓冲空间，利用介孔碳壳层和缓冲空间的双重作用，有效缓冲体积膨胀稳定电极结构。

要点二：稳定充分的化学反应环境

Yolk-Shell结构的内嵌缓冲空间同时构筑起一个稳定的电化学反应环境，TEM结果表明Sb2Se3纳米棒被一层平均厚度约为8 nm的均匀碳包覆壳层完整封闭其中，同时Sb2Se3纳米棒与碳包覆层之间存在一个宽度约为10 nm的空隙。电解液通过介孔碳壳层进入到缓冲空间内，既保证了电解液与Sb2Se3纳米棒内核的充分接触，加快了锂离子的扩散传输，加强了电化学反应动力学；又保证了电化学反应在一个相对稳定的微环境中稳定进行。

要点三：原位电化学反应机理揭示

利用原位XRD研究了Sb2Se3@Void@C电极在充放电循环中物相的转化过程和储锂机制，进一步解释了Sb2Se3@Void@C电极在工作过程中的反应机理。为了进一步验证Sb2Se3@Void@C电极优异的电化学性能，循环后的电极被拆解出并做了SEM和TEM分析，Yolk-Shell结构纳米棒电极在循环后仍保持结构完整性。与裸露的Sb2Se3和直接碳包覆的Sb2Se3@C做电化学性能对比，证明了Yolk-Shell结构中缓冲空间对储锂性能的积极影响。

文章链接

Confining Sb2Se3 nanorod yolk in mesoporous carbon shell with an in-built buffer space for stable Li-ion batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01465

通讯作者介绍

孙灵娜教授.

主要从事锂/钠离子电池、锂硫电池电极材料的可控制备与电化学性能研究；高性能电催化剂的控制制备及在能源催化中的应用研究等方面。相关研究结果发表论文50余篇，其中多篇论文发表在《J. Mater. Chem. A》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Power Sources》、《Nanoscale》等期刊。获广东省高等学校优秀青年教师，深圳市高层次专业人才，深圳市优秀教师、深圳市南山区领航人才等称号。

杨会颖教授.

长期致力于先进材料科学领域，通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术。现任英国皇家化学学会会士，美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，材料学会会员。她曾荣获多项国际科技奖项，其中包括2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖，2013年获新加坡杰出青年工程成就奖，2013年获陈嘉庚青年发明家奖，2014年获美国工程学会杰出青年奖，2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。她主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作，迄今为止，在Nat. Commun., Matter, Adv. Mater., Energy & Environ. Sci., Chem等期刊上发表SCI论文270余篇，他引12000次, H指数61，并有多项专利。

第一作者介绍

张颖朦，长期从事纳米材料的3D有序化制备和反应机理的基础研究及其在能源方面的应用研究，包括锂离子电池、钠离子电池、水系锌离子电池等。发展了多种固液界面合成方法，如“水解-刻蚀自维持循环”法、改进的微乳液法等，制备自支撑有序纳米结构阵列；将固液界面合成方法应用于碳基复合材料的制备，如氧化物@3D类石墨烯基纳米复合材料；并将它们应用于储能领域，相关研究结果发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Small》、《Nano-Micro Lett.》、《J. Mater. Chem. A》等。

课题组招聘

课题组长期招聘化学、材料、环境科学与工程等相关专业博士，包括新能源材料、计算材料学、电催化、新型能源器件及应用等方向。应聘博士应热爱学术研究，在国际刊物上发表过学术论文，并有志于在科研领域继续发展；同时具有较强的独立科研能力、进取心和良好的团队合作精神。工作待遇：年薪32万以上。