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鈉離子電池 (SIB) 的商業應用由于缺乏具有高容量、合適氧化還原電位和循環穩定性的負極材料而受到阻礙。合金型材料在鈉化和脫鈉過程中經常會發生巨大的體積變化，最終導致電極粉化、電極碎裂和電極的劇烈循環衰減。

在此，美國加州大學洛杉磯分校盧云峰教授、沈力博士及華東理工大學莫潤偉教授等人報道了一種基于封裝在兩親性和多孔石墨烯管 (GT) 中的Sn₄P₃的新型復合負極。這種兩親GT由內部親水石墨烯管（N摻雜）和外部疏水石墨烯管（未摻雜）組成，這保證了Sn₄P₃納米顆粒在GT內的有限生長和納米顆粒體積膨脹的有效調節。GT分散在含有水系Sn前體的水溶液中，允許溶液滲透到親水管中。

隨后的水熱處理將前驅體轉化為SnO₂，從而形成了在管內生長的SnO₂納米顆粒的GT復合材料。值得注意的是，SnO₂納米粒子也可能在GT外部和溶液中生長，可以通過洗滌和過濾輕松去除，從而形成具有良好封裝的SnO₂納米粒子的GT復合材料。最后，封裝的SnO₂通過磷化處理轉化為Sn₄P₃，導致形成 Sn₄P₃/GT復合材料，其中Sn₄P₃限制在GT內。

圖1. Sn₄P₃/GT復合電極的電化學性能

與現有技術相比，獨特的兩親性允許在N摻雜的GT內單獨形成Sn₄P₃顆粒，這不僅適應了其在鈉化和去鈉過程中的體積變化，而且還將這些顆粒及其環狀化合物保留在GT內。此外，導電GT以及納米Sn₄P₃還提供了更快的電子和離子傳輸速率。

因此，Sn₄P₃/GT復合負極具有高可逆容量（821 mAh g^-1@0.2 A g^-1）、優異的倍率性能（326 mAh g^-1@20 A g^-1）和出色的循環穩定性（500次循環后可逆容量保持率>90%）。這種策略可以擴展到在充放電過程中經歷劇烈體積變化的其他轉化型和合金型材料。

圖2. Sn₄P₃/GT復合電極的鈉化/脫鈉機制

High Performance Sodium Ion Anodes Based on Sn₄P₃ Encapsulated within Amphiphilic Graphene Tubes, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102345

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加大/華理AEM: 基于封裝在兩親石墨烯管的Sn4P3的新型鈉電負極

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