银纳米片阵列支撑的三维锡-锗合金电极及其钠离子电池性能研究

Bestowed by its similar chemical and physical nature to lithium, sodium-ion batteries have attracted increasing attention in recent years as an alternative to lithium-ion system, both because of the low cost and its high natural occurrences in earth and ocean. Thanks to their advantages of very high specific capacities and so forth, tin-based (Sn) alloys have been considered to be one of the most promising candidates for sodium-ion batteries. However, state-of-the-art performances of tin-based alloys are not satisfactory because of their poor cycling stability and rate capability, hindering their practical application access in sodium-ion batteries. To solve these difficulties, in this project we propose to fabricate three-dimensional (3D) Ag/Sn-Ge nanoplate array composite electrode as anode for sodium-ion batteries, using template-free solution impregnation method followed by RF-sputtering technique. The 3D nano-array structure is responsible to improve the cycling stability and enhance the rate capability of Sn systems. Furthermore, the energy storage capabilities will be modified and optimized through the compositional design and surface modification, to obtain outstanding tin-based composite anodes for sodium-ion batteries, at the same time revealing the physicochemical mechanism. The implementation of this project will have important scientific and practical significance.

钠和锂具有相似的物理化学性质，且钠资源丰富，成本低廉，因此是非常具有发展潜力的电池体系，近年来得到了广泛的关注和研究。锡（Sn）由于理论容量高等优点，被认为是最有前景的钠离子电池负极材料之一。但是，该类材料存在循环稳定性差以及高倍率充放电性能差这两个亟待解决的问题，制约了锡基材料在钠离子电池中的实际应用。针对上述问题，本项目提出，采用无模板溶液浸渍法，先在电极基片上原位生长银纳米片阵列，再利用射频溅射法沉积锡-锗合金，合成银/锡-锗纳米片三维复合阵列，并将其用于钠离子电池负极材料的新思路。利用原位生长的纳米片阵列结构改善材料的循环稳定性和倍率特性，进一步通过合金组分设计以及表面包覆优化其储钠性能，并揭示相关的物理化学机制。因此具有重要的科学和实际意义。

阵列化的纳米材料既能够保留纳米材料的一些与生俱来的优点，还具有结构稳定，增强材料和金属基底的连接，加速离子和电子传导的优点，同时又避免额外添加导电剂和粘结剂，因此其在能源领域的应用被寄予厚望。然而，阵列化纳米材料在制备上通常需要复杂的过程，苛刻的条件，亦或价格高昂的设备，这就限制了其进一步的发展和在实际过程中的应用。本项目主要致力于，采用较为简易的无模板制备方法，设计和构筑新颖的阵列化纳米材料，研究并且调控阵列化复合纳米材料的尺寸、结构以及组成，与电化学性能之间的联系。结合一系列电化学和光谱分析手段，对复合材料的成分和结构进行不断地优化，以期达到最优的电化学性能。对阵列结构复合纳米材料的结构与性能之间的联系进行深入的分析总结与理论提炼，进一步对电池材料的容量、比能量和充放电效率的影响进行归纳，完善并总结电化学反应规律。成功制备出几种三维核壳结构纳米线阵列，获得了制备材料的关键技术和相关参数，将该材料应用于高性能锂离子电池进一步扩展到钠离子电池，均取得了优异的电化学性能表现。提出采用分形分析的方法，解析了纳米材料表面和内部在电池的电化学反应过程中的贡献和物理化学反应机制。本项目的实施为设计和构建新型高性能电池负极材料提供了新思路和新方法。