由于Na金属成本低廉且分布广泛，钠离子电池 (SIB) 已成为用于规模储能的锂离子电池的可行替代品。而锑 (Sb) 一直被视为钠离子电池 (SIB) 的潜力巨大的电极材料。然而，它在钠化-脱钠过程中会发生严重的体积膨胀，影响到电池的性能。虽然将Sb包封在碳基体中可以有效缓冲Sb的体积变化，但是传统碳壳中Na+较慢的扩散速率仍然是Sb/C复合材料实现高倍率性能的瓶颈。
作为一种新型纳米材料，石墨炔的本征18-C空腔会允许金属离子沿碳平面的平行和垂直方向进行迁移，有利于快速离子传输。基于此，中国工程物理研究院杨维清团队使用Sb作为合金基负极的典型代表来构建蛋黄壳Sb@Void@GDY 纳米盒 (NBs)，用于高倍率和长循环寿命的 SIB（图1）。Sb盒的内部空隙和Sb盒和GDY壳之间的空隙提供足够的容纳Sb产生的体积，此外GDY特殊的结构促进了快速离子传输，最后由于GDY壳的限制作用，可以有效地防止Sb聚集，从而赋予了Sb@Void@GDY NB 复合材料出色的倍率性能和循环稳定性。该研究以题为“Yolk−Shell Sb@Void@Graphdiyne Nanoboxes for High-Rate and Long Cycle Life Sodium-Ion Batteries”的论文发表在最新一期《ACS nano》上。
【基于Sb@Void@GDY NB电极的循环性能】
通过比较电池循环性能得知Sb@Void@GDY NB 电极表现出比Sb@C NB 电极更好的循环稳定性。Sb@Void@GDY NB电极拥有 593 mAh g −1的电池容量在 0.1 A g −1下循环200次后几乎没有容量损失，而 Sb@C 则观察到连续的容量衰减。Sb@Void@GDY NB 电极极好的稳定性得益于蛋黄壳体系结构，其中 Sb 和 GDY 壳之间有足够的空间用于缓冲 Sb 的体积变化并保持钠化/脱钠过程中的电极完整性（图 2）。此外Sb@Void@GDY NB电极表现出更高的平均可逆容量，其性能高于之前报道的工作，这是因为GDY的引入可以作为保护壳的过程中，GDY特殊的化学结构可以提供Na + 沿垂直方向的隧道分子平面进行迁移，大大加速了Na +的传输动力学。
图1. Sb@Void@GDY NB的制备过程
图2.Sb@Void@GDY NB电极的结构
图3.Sb@Void@GDY NB应用于作为电极的性能
【Sb@Void@GDY NBs的稳定性】
通过原位 TEM 以更好地了解Sb@Void@GDY NB阳极在电化学作用下的实时结构演变，从而验证蛋壳结构的优势（图4）。结果表明在电化学循环过程中Sb立方体体积膨胀约324%。受益于精心设计的结构内部空隙的空间，纳米材料仍然存在一些空隙有助提升Sb@Void@GDY NB电极的循环稳定性。此外，Sb@Void@GDY NB 结构在随后的循环中没有任何损坏，证明了Sb@Void@GDY NB的结构稳定性。作者还使用间歇式恒电流滴定技术 (GITT) 研究 Na + 的动力学Sb@Void@GDY NB 电极的存储行为。Sb@Void@GDY NB 电极比Sb@C NB 电极拥有更大的扩散系数，表明Sb@Void@GDY NB 电极中的 Na + 传输速率比 Sb@C NB 电极更快（图5）。
图4.Sb@Void@GDY NB 电化学作用下的实时结构演变
图5.Sb@Void@GDY NB 电化学测试性能
【Sb@Void@GDY NBs的实际应用】
得益于优秀的储Na + 性能，作者使用Sb@Void@GDY NBs组装了一个完整的电池，其中Na 3V 2(PO 4) 3 作为阴极（图 6）。循环测试后，该电池实现了高容量保留 75% 并保留 354 mAh g −1 的容量阳极在 1 A g −1 下 500 次循环后。而充满电的全电池可以成功点亮84颗发光具有“Sb@GDY”图案的二极管，证明了Sb@Void@GDY NB在纳电池中的实际应用潜力。
图6Sb@Void@GDY NB 在电池中的实际应用
总结：作者开发了蛋黄壳结构的 Sb@Void@GDY NBs用于钠电池的电极应用。Sb@Void@GDY NB 电极表现出更高的速率能力和循环稳定性与传统相比Sb@C NB电极。而构建蛋黄结构的方法-具有 GDY 壳层的壳结构电极有巨大的潜力扩展到其他材料来构建高性能电极。
--纤维素推荐--
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！