陈小华教授/胡爱平教授 JMCA热点论文：分级孔定向碳纳米管限域合金类锑负极材料实现储钠超长循环稳定性- 大数跨境

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陈小华教授/胡爱平教授 JMCA热点论文：分级孔定向碳纳米管限域合金类锑负极材料实现储钠超长循环稳定性

科学材料站

2021-01-02

导读：本文以具有分级孔结构、竹节状的定向碳纳米管阵列为基体，采用溶液浸渍、熔融扩散并结合高温还原富载活性物质Sb，构建的Sb/ HPACNTs复合储钠负极材料具有超长的循环寿命。

文章信息

活性物质Sb限制在竹节状分级孔碳纳米管阵列中实现储钠超长循环性能

第一作者：康超

通讯作者：胡爱平*，陈小华*

单位：湖南大学，广东工业大学

研究背景

钠离子电池(SIBs)因其丰富的资源和较低的成本等优点被认为在大规模储能方面具有极大的应用研究前景。寻求新型的高比容量、长寿命的储钠负极材料是发展 SIB的重要任务。合金类负极材料因其理论比容量高、嵌钠电位合适等优点受到大家的高度关注，如何加快其电化学反应动力学，并解决其因体积膨胀导致的容量衰减问题是大家努力的方向。

文章简介

近日，湖南大学陈小华教授、胡爱平教授以“Confining Sb Nanoparticles in Bamboo-like Hierarchical Porous Aligned Carbon Nanotubes as an Anode for Sodium Ion Battery with Ultralong Cyclic Performance"为题，在Journal of Materials Chemistry A 上发表最新研究成果。

以具有分级孔结构、竹节状的定向碳纳米管阵列（HPACNTs）为基体，采用溶液浸渍、熔融扩散并结合高温还原富载活性物质Sb，构建的Sb/ HPACNTs复合储钠负极材料具有超长的循环寿命。用Ex-situ TEM和SEM证明了HPACNTs的物理限域作用对体积效应的有效抑制，保持复合材料整体结构的稳定性起了关键的作用。

该工作对解决合金类、过渡金属化合物类等储锂/钠/钾负极材料由于体积效应问题导致的容量衰减问题提供了有效的解决方案。

图 1 Sb/HPACNTs的合成示意图

本文要点

要点一：Sb/HPACNTs结构表征

通过活化、酸化技术处理，HPACNTs基体碳纳米管末端开口、管壁具有丰富的分级孔结构，利于活性物质前驱体溶液渗入管内腔，提高Sb负载量；其掺N原子及表面含氧官能团不仅可贡献比容量，而且与活性物质相互作用，提高复合结构稳定性；HPACNTs共轭结构的存在保证了其优异的导电性。复合体系中，Sb主要存在于定向碳纳米管内腔、管壁多孔结构及管与管之间的空隙中。

图2 Sb/HPACNTs的结构特性表征

要点二：Sb/HPACNTs复合材料具有优异的循环稳定性

以Sb/HPACNTs为工作电极，钠片为对电极，组装成钠离子电池，在1A.g-1电流密度下循环4500次后，仍具有318mAh.g-1的充电比容量，平均每次仅衰减0.08 mAh.g-1，表现出优异的循环稳定性。

图 3 Sb/HPACNTs电化学性能的表征及反应机理的分析

要点三：非原位TEM及SEM结果证明复合负极材料长循环寿命归因于HPACNTs的物理限域作用

通过对Sb/HPACNTs复合材料在充放电过程中第1次充放电前后及4500次循环后的TEM及其SEM表征，循环过程中粉化的活性物质Sb以2-3nm颗粒形式存在于碳纳米管内腔中，由此证明碳纳米管对活性物质的物理限域作用使复合电极材料保持了整体结构稳定性，从而体积效应得到有效地抑制。

利用HPACNTs畅通的管道、分级孔结构和内腔丰富的类石墨烯片提高电极材料的电子和离子传导性。，保证粉化的活性物质仍能保持良好的电接触。主要基于以上两个结构优势，Sb/HPACNTs表现出高比容量、超长的储钠循环稳定性能。

图 4 Sb/HPACNTs循环前后的非原位TEM及SEM表征

文章链接

Confining Sb Nanoparticles in Bamboo-like Hierarchical Porous Aligned Carbon Nanotubes as an Anode for Sodium Ion Battery with Ultralong Cyclic Performance

https://doi.org/10.1039/D0TA10556B

通讯作者介绍

陈小华教授

湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，岳麓学者，湖南省新世纪121人才工程计划人选。担任中国仪表材料学会理事、中国非金属材料协会委员。近年来在碳纳米管、石墨烯和金属有机框架等纳米能源材料的设计理论、关键合成、基础应用等方面做出了卓越贡献。于2003年获教育部自然科学奖二等奖，现已在Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, J. Mater. Chem. A等期刊上发表论文100余篇，被引2500余次，获授权发明专利5项，其中两项研究成果已实现转化。

胡爱平教授

湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。近年来围绕碳基体材料改性、碳基体纳米复合材料结构构建及其在锂/钠离子电池材料、电催化材料开展研究工作。