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Nano Lett.：粉狀納米粒子自組裝實現(xiàn)大容量、長壽命和超快充電的鈉離子電池

同時具有大容量、快速充電能力和高循環(huán)穩(wěn)定性的電池負(fù)極的制造具有挑戰(zhàn)性，因為這些特性在本質(zhì)上是互斥的。

在此，韓國慶尚大學(xué)Hyojun Ahn及高麗大學(xué)Jae-Chul Lee等人報道了使用 Na-Sn電池系統(tǒng)設(shè)計鈉離子電池負(fù)極的策略，即不通過利用納米材料和表面改性，而是在適當(dāng)電解液中通過電池循環(huán)過程中促進(jìn)Sn顆粒自發(fā)演變?yōu)?D網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)來設(shè)計性能優(yōu)越的鈉離子電池負(fù)極。

實驗結(jié)果證實，該負(fù)極未經(jīng)改性便表現(xiàn)出穩(wěn)定的大容量（~480 mAh g^-1），甚至在12690 mA g^-1（相當(dāng)于15 C）的倍率下超過1500次循環(huán)后容量保持率仍高達(dá)99.9％。

圖1. 塊狀Sn到納米晶粒的結(jié)構(gòu)演變

本研究解決了四個基本問題：

（1）通過觀察在鈉化過程中大塊Sn晶體中位錯的產(chǎn)生和伴隨的Na位錯管擴(kuò)散，闡明了重組過程塊狀Sn到納米晶粒的結(jié)構(gòu)演變；

(2)觀察了納米顆粒結(jié)構(gòu)的破碎過程和脫鈉過程中隨后的聚結(jié)；

(3) 使用經(jīng)典MD模擬和DFT計算相結(jié)合的技術(shù)，通過分析電解液在促進(jìn)碎片化納米粒子聚結(jié)中的作用，闡明了碎片化Sn 納米顆粒自組裝機(jī)制；

（4）實驗證實，由納米顆粒自組裝而成的結(jié)構(gòu)體系可以顯著提高電池的倍率性能、容量和循環(huán)性能。該方法簡單且可擴(kuò)展到其他體系，為大量獲得納米結(jié)構(gòu)負(fù)極材料提供了一條可靠的替代途徑。

圖2. 具有和不具有自組裝能力的Sn負(fù)極電化學(xué)性能對比

Self-Assembly of Pulverized Nanoparticles: An Approach to Realize Large-Capacity, Long-Lasting, and Ultra-Fast-Chargeable Na-Ion Batteries, Nano Letters 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02518

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