鋰離子電池因其高能量密度和長壽命而成為便攜式電子設(shè)備和電動汽車的電源。隨著對更高能量密度電池需求的不斷增長，研究者們開始尋找新的負極材料，特別是那些通過合金化機制工作的元素，如硅、磷、錫、銻、鉍和鍺等。這些材料具有比傳統(tǒng)插入式材料更高的理論比容量和體積容量。然而這些合金化負極材料在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中會發(fā)生顯著的體積和結(jié)構(gòu)變化，這可能導(dǎo)致循環(huán)過程中比容量的快速衰減。此外，體積變化還可能引起與有機電解液的不可逆副反應(yīng)，導(dǎo)致初始庫侖效率低下。復(fù)雜的合金化反應(yīng)機制還會導(dǎo)致顯著的滯后現(xiàn)象，這成為電池充放電速率的歐姆源，限制了電池的高倍率性能。

盡管通過納米結(jié)構(gòu)工程和碳質(zhì)材料的整合已經(jīng)取得了一定的進展，以減輕體積膨脹、加速電子傳輸速率，從而提高循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能，但合金材料的界面不穩(wěn)定性問題仍然存在。這些材料在與電解液發(fā)生不可逆反應(yīng)時，會消耗有限的鋰離子，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化。此外，低振實密度使得實現(xiàn)堅固的粒子間電子和離子通道、高面負載和高體積能量密度變得困難。雖然作為緩沖介質(zhì)的碳質(zhì)材料可以對材料表面施加強大的約束力以抵抗拉伸應(yīng)力，保護涂層也有助于形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，但在長期循環(huán)過程中，緩沖層可能因損壞和潛在的破裂而變得不夠耐用。因此開發(fā)具有高結(jié)構(gòu)和電化學(xué)穩(wěn)定性的新型負極材料，以實現(xiàn)在極端條件下的可靠循環(huán)，是當(dāng)前鋰離子電池技術(shù)發(fā)展中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對鋰離子電池負極材料在高能量密度需求下所面臨的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)穩(wěn)定性問題，由北京大學(xué)與吉林大學(xué)組成的研究團隊利用澤攸科技生產(chǎn)的原位電化學(xué)透射電鏡測量系統(tǒng)提出了一種新型的高熵合金負極材料SnSbMnBiTe。以解決現(xiàn)有合金負極材料在循環(huán)過程中的體積膨脹、結(jié)構(gòu)退化和界面不穩(wěn)定性等問題。通過高熵穩(wěn)定化策略，這種新型負極材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電導(dǎo)率、振實密度和楊氏模量，以及在室溫和零下溫度下低應(yīng)變和高體積能量密度的鋰離子存儲性能。本文章以“High-entropy alloy anodes for low-strain and high-volumetric lithium-ion storage at ambient and subzero temperatures”為題發(fā)表在《Energy Storage Materials》期刊上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103127

論文主要關(guān)注高熵合金作為鋰離子電池陽極材料的研究，這類材料因具有高比容量和大體積容量而受到關(guān)注。傳統(tǒng)合金基陽極材料在鋰化過程中容易出現(xiàn)嚴(yán)重的體積變化和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響電池的循環(huán)性能。研究團隊設(shè)計了一種高熵穩(wěn)定化的SnSbMnBiTe合金陽極，其混合熵達到1.61 R，表現(xiàn)出超高的電導(dǎo)率、密度和楊氏模量等優(yōu)異物理性質(zhì)。這些特性使得該高熵合金陽極在0.1 A g?1電流密度下實現(xiàn)了2408.4 mA h cm?3的高體積容量，在5 A g?1的高倍率下仍有1017.4 mA h cm?3的容量保持率，并且在零下30℃的低溫下仍能保持1418.0 mA h cm?3的放電容量。

圖 HE-SSMBT的反應(yīng)機制和結(jié)構(gòu)演變

研究中通過原位透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，高熵合金陽極在鋰化過程中表現(xiàn)出的體積膨脹遠小于低熵材料，這歸功于其獨特的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機制。高熵合金的形成基于小原子尺寸差異、適中的混合焓和高混合熵原則，這些因素共同作用于降低材料的吉布斯自由能，有利于形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。SnSb基合金通過加入高密度的Bi和Te以及惰性的Mn，不僅提升了合金的體積容量，也有效緩解了鋰化過程中的體積膨脹問題。

圖 應(yīng)變分析：(a) 和 (b) 展示了 HE-SSMBT 合金在原位鋰化前后的順序 TEM 圖像，觀察到幾乎不可見的體積膨脹（約 1.9%）。相比之下，(c) 和 (d) 顯示了 SS 合金在原位鋰化前后的大體積膨脹（約 62%）

X射線衍射分析顯示，SnSb、SnSbBiTe和SnSbMnBiTe三種樣品均呈現(xiàn)出相同的立方結(jié)構(gòu)，且無副相存在，證明了高熵合金的純相形成。掃描電子顯微鏡觀察表明，材料的粒徑分布在數(shù)百至數(shù)千納米之間，高分辨率透射電鏡分析進一步揭示了材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，計算出的晶面間距與立方結(jié)構(gòu)的(200)平面一致。

圖 展示了結(jié)構(gòu)表征的結(jié)果：(a-c) 分別是SS、SSBT和HE-SSMBT樣品的X射線衍射(XRD)圖案的Rietveld精修結(jié)果。(d-f) 則是SS、SSBT及HE-SSMBT樣品的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像，在這些圖像的內(nèi)嵌部分展示了選區(qū)電子衍射(SAED)圖案

在實際應(yīng)用中，高熵合金SnSbMnBiTe作為陽極材料，經(jīng)過200次循環(huán)后在0.1 A g?1下的容量為2838.5 mA h cm?3，在5 A g?1下的容量為1017.4 mA h cm?3，顯著優(yōu)于中熵和低熵材料。在極端低溫下，如零下30℃，其放電容量達到1418.0 mA h cm?3，表現(xiàn)出非常好的低溫性能。此外，原位TEM圖像揭示，高熵合金在鋰化過程中的體積膨脹僅為約1.9%，明顯低于低熵合金，展現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)可逆性。

這項研究提供了高熵合金材料在鋰離子電池負極應(yīng)用中的深入理解，并展示了其在高能量密度和寬溫度范圍應(yīng)用中的潛力，通過這種新型合金的設(shè)計和合成，研究人員為開發(fā)下一代高性能、高穩(wěn)定性的鋰離子電池開辟了新的道路。

安徽澤攸科技有限公司作為中國本土的儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為本研究成果中用到的原位透射電鏡樣品桿：

以上就是澤攸科技小編分享的澤攸科技在高熵合金負極材料研究中的應(yīng)用。更多掃描電鏡產(chǎn)品及價格請咨詢15756003283(微信同號)。