电子科大《AFM》：金字塔形纳米阵列的有效应力耗散用于钠储存

钠离子电池由于钠（Na）资源丰富且成本低廉，已成为具有竞争力的锂离子电池替代储能系统。目前,是发展实用化的核心挑战之一储钠技术是高性能负极材料的设计。虽然碳质材料和钛基氧化物等嵌入型阳极具有稳定的结构以容纳 Na⁺ 离子, 但它们通常具有非常有限的容量。合金型负极材料具有较高的理论比容量，是钠离子电池的理想负极材料。但由于钠(Na)合金化/脱合金化过程中体积变化较大，容量衰减较快，限制了它们的实际应用。

来自电子科技大学的研究人员报道了一种在铜(Cu)衬底上电沉积高取向锑锡(SbSn)合金纳米阵列的简便方法。这种二元合金具有定义良好的三角金字塔状结构，随后的热退火工艺在纳米阵列的根部形成了一种“合金胶”，它在活性合金和铜衬底之间产生了牢固的连接。密度泛函理论计算结果表明，与单个金属相比，制备的合金具有更有利的Na扩散，“合金胶”提供了衬底与SbSn之间强烈的相互作用。更重要的是，基于有限元分析，这种独特的三角形金字塔状纳米结构不仅在Na⁺浓度梯度上产生了小的差异，而且建立了均匀的应力分布，既促进了高效的Na⁺扩散，又促进了有效的应力消散。总之，优化的成分和几何结构提高了当前SbSn合金纳米阵列的高倍率性能，延长了循环寿命。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202104798

综上所述，本文采用无模板电沉积方法在铜衬底上成功制备了自支撑的SbSn合金纳米阵列。单个SbSn亚基呈金字塔状，随后在Ar气氛下退火形成SbSnCu三元相，它作为“合金胶”将活性SbSn连接到Cu衬底上。当作为钠存储的负极材料时，所制备的SbSn纳米阵列在5 C下表现出521mAh g⁻¹的优异倍率容量，在2C倍率下800次循环后的保持率高达82%，表现出优于大多数已报道的SbSn合金电极的性能。此外，由SbSn和Na₃V₂(PO₄)₃组成的全电池提供了189WH kg⁻¹的比能量密度。密度泛函计算表明，与Sb和Sn的单独金属相比，SbSnCu合金成分具有更有利的Na扩散，而三元“合金胶”的存在增强了纳米阵列的结构稳定性。此外，基于有限元分析的模拟结果表明，这种金字塔状的三角形结构有利于活性物质的有效利用以及循环过程中产生的内应力的消散。这项工作将化学和几何工程完美地结合在一起极大地提高了钠的储存性能，从而为未来高性能储能电极材料的设计提供了新的思路。（文：SSC）

图1.SbSn纳米阵列的合成和表征

图2.a)退火前后纳米阵列的XRD图谱。b)SbSn纳米阵列的完整XPS测量光谱，以及c)Sb 3D和d)Sn 3D的芯能级光谱。

图3.a)扫描速率为0.2 mV s⁻¹时的CV和b)速率为0.3C的SbSn电极的恒流曲线。c)比较了Sb、Sn和SbSb在2C 循环200次后的性能。

图4.锑锡电极电化学行为的动力学分析

图5.基于DFT的理论计算

图6.在相同的底部长度和高度下，不同形状的Na⁺离子浓度和应力分布的有限元分析。