厦门大学王鸣生/魏湫龙AFM: SnO₂纳米颗粒邂逅介孔碳：为钠金属阳极续航赋能

文章总结

研究背景：开发高能量密度和高安全性的先进储能系统迫在眉睫。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低且与锂离子电池电化学性质相似，成为有前景的替代方案。钠金属阳极（SMAs）虽理论比容量高、氧化还原电位低，但钠枝晶生长和离子传输动力学缓慢阻碍了其实际应用 。

实验设计：采用孔工程和化学修饰相结合的方法，制备了 SnO₂@HMCNS 材料。以正硅酸四丙酯（TPOS）为硅源，氧化石墨烯（GO）为牺牲模板，通过水解、共缩聚、高温碳化和 NaOH 蚀刻等步骤合成 HMCNS，再经水热反应锚定 SnO₂纳米颗粒得到目标产物。同时合成 HMCNS 和 SnO₂@CS 作为对照。

实验结果

结构与形貌表征：SEM、TEM 等表征显示，SnO₂@HMCNS 呈层状结构，表面有大量小孔，介孔通道垂直于片层表面，碳壳厚度约 70nm，SnO₂纳米颗粒粒径主要在 5 - 7nm，均匀分布在碳纳米片表面和介孔通道内。XRD、XPS 等分析进一步确认了材料的晶体结构和化学组成。N₂吸附 - 脱附等温线表明材料具有丰富的介孔和微孔，比表面积大。

电化学性能测试：Na||SnO₂@HMCNS 半电池在不同电流密度和容量下循环稳定性优异，平均库仑效率高达 99.8%，成核过电位低。对称电池测试中，SnO₂@HMCNS 电极在不同电流密度下极化电压低，循环寿命长。EIS 测试显示其离子传输动力学快，Tafel 曲线表明其电荷转移速率高。

实际应用性能：SnO₂@HMCNS 与 NVP 组成的全电池在 0.5A g⁻¹ 电流密度下循环 400 次，容量保持率 89.6%，平均库仑效率 99.6%，倍率性能良好。无阳极钠金属电池在 0.1A g⁻¹ 电流密度下循环 200 次，容量保持率 79.5% 。

研究结论：成功制备了 SnO₂@HMCNS 阳极材料，介孔结构加速离子传输，亲钠 SnO₂纳米颗粒引导钠均匀沉积，二者协同作用提高了钠金属阳极的长期循环稳定性。该研究为稳定亲钠纳米种子和促进钠传输动力学提供了可行策略，对改善钠金属阳极性能具有重要意义。

图文简介

SnO₂@HMCNS 的合成步骤示意图

a 至 c）分别为 SnO₂@HMCNS、HMCNS 和 SnO₂@CS 电极在沉积了不同容量（1 至 8 mAh cm⁻²）的钠金属后的表面形貌扫描电子显微镜（SEM）图像。

a、d）不同主体材料的库仑效率对比，以及 b、e）成核过电位对比。c、f）分别为 SnO₂@HMCNS 在电流密度 2 mA cm⁻²、容量 1 mAh cm⁻² 以及电流密度 4 mA cm⁻²、容量 2 mAh cm⁻² 时的钠沉积 / 剥离电压曲线。g）SnO₂@HMCNS 半电池与其他电极材料的半电池循环性能对比。h）在电流密度 2 mA cm⁻² 下对 Na||SnO₂@HMCNS 进行非原位电化学阻抗谱（EIS）测试得到的奈奎斯特图。i）不同电极的对称电池的塔菲尔曲线。

对称电池在不同容量 / 电流密度下的恒电流充放电电压曲线，分别为：a）电流密度 2 mA cm⁻²、容量 1 mAh cm⁻² ；b）电流密度 4 mA cm⁻²、容量 2 mAh cm⁻² ；c）电流密度 8 mA cm⁻²、容量 4 mAh cm⁻² 。d）含有 SnO₂@HMCNS 的对称电池与其他电极材料的对称电池的循环性能对比。e）无阳极钠金属电池（AFSMBs）的电池结构示意图。f）无阳极全电池在 0.1 A g⁻¹ 电流密度下的循环性能。g）无阳极全电池的倍率性能。

论文信息

通讯作者：Qiulong Wei, Ming-Sheng Wang