王文辉助理教授、戴长松教授， ESM观点：Sn-P基负极对碱金属电池的应用与展望- 大数跨境

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王文辉助理教授、戴长松教授， ESM观点：Sn-P基负极对碱金属电池的应用与展望

科学材料站

2021-05-28

导读：该观点文章分析了现在Sn-P基材料，尤其是Sn4P3在碱离子电池体系应用中出现的容量衰减问题的成因，同时汇总了近期在改善此类不稳定性问题上的进展，并根据改善策略自身特性分类归纳。

文章信息

Sn-P基负极对碱金属电池的应用与展望

第一作者：孙淑婷

通讯作者：王文辉*，戴长松*

单位：哈尔滨工业大学，哈尔滨工业大学（深圳），国家电网黑龙江电力有限公司

研究背景

Sn-P基材料因为自身丰富的元素储存而逐渐受到关注，其中Sn4P3因为稳定的相、合适的运行电压和高理论容量而从Sn-P基材料家族中脱颖而出。但是越来越多的研究表明，体积变化或者Sn团聚/偏析会导致容量衰减加速，阻碍了Sn4P3材料的实际应用。

本篇观点展示了近期研究此类Sn-P基材料在碱离子电池体系应用的一些工作，包括工作原理和合成方法概述。同时还回顾了近期通过改性策略从而在提高电化学性能方面取得的进展，并就如何进一步理解和解决容量衰减问题进行了讨论，并将策略依照自身特性归类。

本文为未来研究Sn4P3材料和其他类似负极材料的研究人员提供了方向，有助于加速Sn-P基材料领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自哈尔滨工业大学（深圳）的王文辉教授与哈尔滨工业大学的戴长松教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Application and prospective of Sn-P based anodes for alkali-ion batteries”的观点文章。

该观点文章分析了现在Sn-P基材料，尤其是Sn4P3在碱离子电池体系应用中出现的容量衰减问题的成因，同时汇总了近期在改善此类不稳定性问题上的进展，并根据改善策略自身特性分类归纳。

图1. 解决Sn4P3不稳定性的四种策略示意图。

本文要点

要点一：纳米结构设计

提高Sn4P3的电化学性能的一种有效策略是设计独特的纳米结构（例如，空心或分级结构）。具有中空和分层结构的Sn4P3纳米颗粒因为颗粒小以及电解质易渗透到结构空隙的优势，能产生短的电子转移路径和离子扩散距离，这使得动力过程极大提高。

此外，中空和独特的结构纳米结构也能提供了大量的空隙，以适应放电过程中的体积膨胀，从而在长期循环过程中保持电极和SEI膜的完整。

要点二：构建稳固的物理保护屏障

在Sn4P3颗粒的表面上或内部构建具有高导电性的强大物理保护屏障是提高负极电化学性能的实用方法之一。首先，导电物理保护屏障可以通过物理隔离以及改善Sn4P3反应可逆性（易于半电池充电状态时Sn4P3再生）来限制颗粒聚集以及Sn和P颗粒的团聚。

其次，稳固的物理保护屏障可以帮助容纳电极反应过程中的体积变化，因此有利于在长期循环时保持电极完整性。碳质材料由于优异的化学稳定性、高导电性和机械性能，成为最常见但有效的保护屏障。其功能在于改善电子电导率，保持电极完整性，缩短离子的转移距离和抑制颗粒聚集，使得反应过程的稳定性和电化学性能提高。

要点三：掺杂或引入异质相

晶体结构演化可以有效抑制Sn4P3电极在反复反应过程中产生的Sn和P团聚，例如Sn4P3材料掺杂一些原子或与其他相混合形成异质结构来调节晶格或晶面。

此外，反应过程体积反复变化所产生的应力因为有非电化学活性元素或相作缓冲基质可以得到有效缓解。并且，一些异质材料自身拥有高电子/离子电导率，这大大可以促进Sn4P3复合材料中的电子/离子转移过程。

要点四：SEI层修饰

位于电极和电解质之间的界面——SEI层的稳定性，是确保电池长循环寿命的一个关键因素。具有高柔韧性和机械强度的SEI层可以最大限度地减少有害副反应的发生，从而减轻SEI开裂的可能性，避免形成较厚的SEI（电解液的持续消耗）和因此导致的反应动力过程迟缓。

此外，稳定的SEI层还有助于防止活性材料的团聚和保持电极的完整性。目前SEI层的稳定方法主要包括调整电极的操作电压窗口和控制电解液成分。

要点四：前瞻

当前对Sn-P基材料的理解和研究仍然有限，特别是储存机理和衰减机理，这也是未来研究的一个潜在方向。复杂且昂贵的合成过程限制了纳米化结构设计的商业应用，需要开发简单、成本低的工艺。纳米结构，设计与导电保护层结合，来有望进一步提高电极的可逆容量和循环稳定性。

但是，应用纳米结构设计策略时应考虑电极循环稳定性和其体积/质量能量密度的平衡。导电聚合物和无机材料作为物理保护屏障的研究值得开展，但需要探索并找到寿命与能量密度之间的平衡。

关于异质原子或异质相的作用机理还亟待研究，这将对未来掺杂或异质结构的研究有指导作用。电解质组分和活性物质之间的界面研究也有待进一步研究，深入理解Sn-P基材料界面稳定性并实现其有效调控，有望促进高安全性高能量密度碱离子电池的研发及其在商业市场中的应用。

本文链接

Application and prospective of Sn-P based anodes for alkali-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.021

通讯作者介绍

王文辉助理教授。

哈尔滨工业大学（深圳）土木于环境工程学院助理教授，2013年毕业于哈尔滨工业大学化学工程与工艺（电化学）专业，获得工学学士学位。2018年3月在香港中文大学取得博士学位，随后以高级副研究员的身份在香港城市大学能源与环境学院工作。2019年2月加盟哈尔滨工业大学（深圳），并于同年8月入选海外高层次人才。获2021年度广东省环境保护科学技术奖二等奖。主要研究领域包括绿色二次电池，废旧电池回收再利用，电化学海水淡化，高级氧化等。目前共已发表SCI学术论文45篇，其中以第一/通讯作者在Energy Storage Materials, Journal of Power Sources, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon, Journal of Energy Chemistry等国内外知名杂志上发表论文27篇。

戴长松教授。

哈尔滨工业大学化工与化学学院教授，戴长松教授主要研究方向为动力锂离子电池材料以及锂离子电池资源化回收等等。在相关领域发表SCI收录论文100余篇，曾先后主持承担国家环保公益项目、国家自然科学基金项目、以及省、市级项目和多项横向课题等。相关成果曾获黑龙江省科学技术一等奖1项，航天部、教育部和黑龙江省科技进步奖二等奖5项，教育部科技进步三等奖1项，哈尔滨青年科技成果奖1项，美国电镀与表面精饰学会 (AESF) 银奖1项。

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