飛納電鏡助力電子科技大學(xué)新能源二次電池研究成果

大家好，我是李欣研，來(lái)自電子科技大學(xué)的一名博士生，導(dǎo)師陳俊松教授。我的主要研究方向是新能源二次電池，很榮幸能獲得飛納電鏡的這次評(píng)獎(jiǎng)，這次我獲獎(jiǎng)的文章是 Efficient Stress Dissipation in Well-Aligned Pyramidal SbSn Alloy Nanoarrays for Robust Sodium Storage。
 

本篇文章主要聚焦在改善鈉離子電池負(fù)極合金材料由于體積膨脹帶來(lái)的穩(wěn)定性差的問(wèn)題，我們這篇文章有以下幾個(gè)亮點(diǎn)：

亮點(diǎn)一：

SbSn 二元合金具有獨(dú)特的 3D 金字塔結(jié)構(gòu)，它在充分展現(xiàn)合金型負(fù)極材料高容量特點(diǎn)的同時(shí)擁有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
 

SbSn 納米陣列的SEM 電鏡圖（飛納電鏡拍攝，側(cè)視圖）

亮點(diǎn)二：

利用密度泛函理論計(jì)算證明了與單金屬相比，該二元合金提供了更高的Na+ 擴(kuò)散效率，并且退火后形成的“合金膠”有效增強(qiáng)了導(dǎo)電基底和 SbSn 之間相互作用，從而避免了活性物質(zhì)從集流體上脫落，保證了二者之間的穩(wěn)定接觸。
 

基于 DFT（密度泛函理論）理論計(jì)算：a) Sb-SbCu、Sn-SnCu 和 SbSn-SbSnCu 三種含 Na 遷移路徑的模型；b) 不同遷移模型中 Na 擴(kuò)散的能量；c) Sb-SbCu、Sn-SnCu 和 SbSn-SbSnCu 的態(tài)密度。 虛線表示 d 波段中心在每一個(gè)系統(tǒng)；d) SbCu、SnCu、SbSnCu、Cu 的幾何優(yōu)化模型及其對(duì)應(yīng)的結(jié)合能。

亮點(diǎn)三：

基于有限元分析表明當(dāng)前三角形幾何形狀能夠提供更短的 Na+ 擴(kuò)散路徑，使其在吸附更多鈉離子的同時(shí)具有較小的濃度梯度和更均勻的應(yīng)力分布，這將有利于高倍率下的充放電性能以及對(duì) Na+合金/去合金過(guò)程中所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的即時(shí)消散。我們通過(guò)組分和結(jié)構(gòu)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了較好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
 

對(duì)相同底部長(zhǎng)度和高度下不同形狀的 Na+ 離子濃度和應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析；a)  Na+ 離子濃度分布; b) 三種形狀的應(yīng)力分布；c) 底部角落最大局部應(yīng)力的放大圖；d) 三種形態(tài)的分布；e) 平均 Na+ 離子濃度的對(duì)比；f) 三種形狀的局部最大應(yīng)力對(duì)比
 

其中，比較重要的形貌表征就是通過(guò)飛鈉電鏡實(shí)現(xiàn)的，它將我們合成的三角形貌很好地呈現(xiàn)了出來(lái)，通過(guò)拍攝正面和截面的圖像，我們可以看到生長(zhǎng)的合金由一個(gè)個(gè)小的三角形組成，并且排列的非常整齊。
 

SbSn 納米陣列的合成過(guò)程示意圖
 

SbSn 納米陣列的 SEM 圖（飛納電鏡拍攝）：俯視圖（b,c）和側(cè)視圖（d,e）

由于合金膠是在集流體和活性物質(zhì)底部，所以表征起來(lái)有一定的困難，飛鈉電鏡能譜 Mapping 測(cè)試和截面測(cè)樣功能，使得這一問(wèn)題得到了很好的解決。
 

SbSn 納米陣列結(jié)構(gòu)的能譜面掃 Mapping 結(jié)果

最后，感謝我們科研團(tuán)隊(duì)老師和同學(xué)們的指導(dǎo)與幫助，也非常感謝飛鈉電鏡的技術(shù)支持。