錫基安時級軟包電池的制備工藝及電化學(xué)性能 圖片來源：中國科學(xué)院物理研究所
據(jù)中國科學(xué)院物理研究所消息，鈉離子電池資源豐富、成本較低，但對體積能量密度要求高。錫合金負(fù)極更安全、易加工，兼容現(xiàn)有生產(chǎn)線。但是，它在循環(huán)過程中體積變化大，導(dǎo)致顆粒粉化、電接觸喪失，形成電化學(xué)失活的“死錫”，造成活性物質(zhì)利用率降低和容量迅速衰減。
盡管此前報道的改性策略能夠緩解其體積膨脹而提升循環(huán)穩(wěn)定性，卻以犧牲容量發(fā)揮和首周庫侖效率為代價，且材料制備復(fù)雜，成本高。同時，錫的莫氏硬度低，易在漿料制備中發(fā)生自發(fā)團(tuán)聚，也限制了其規(guī)模化制備。
近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心團(tuán)隊，提出了構(gòu)建單壁碳納米管導(dǎo)電限域網(wǎng)絡(luò)的策略，攻克了錫基負(fù)極的穩(wěn)定性難題。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目、京津冀基礎(chǔ)研究合作專項項目等的支持。
研究團(tuán)隊利用單壁碳納米管與微米錫晶面之間的強(qiáng)吸附作用，構(gòu)建了堅固的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)在電極制備階段充當(dāng)“過程控制劑”，抑制了錫顆粒的團(tuán)聚，實現(xiàn)了高活性物質(zhì)負(fù)載的電極制備。團(tuán)隊通過多尺度表征技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，研究了微米錫顆粒在循環(huán)過程中的形貌演化過程，并建立了拓?fù)溲莼c電化學(xué)性能間的定量化正相關(guān)關(guān)系。這揭示了錫負(fù)極經(jīng)歷充分拓?fù)湫蚊惭莼潜ＷC電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的必要條件，而加固交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的支撐作用可以維持形貌演變過程中顆粒間連續(xù)的機(jī)械與電接觸，確保了持續(xù)的高活性物質(zhì)的利用率，從而兼顧高容量的發(fā)揮與長循環(huán)穩(wěn)定性。
基于這個策略，研究制備出的微米錫負(fù)極在0.1A/g下具有789.4mAh/g的高可逆容量，并在2A/g的大電流下循環(huán)6000次后，容量保持率仍達(dá)87.6%。基于公斤級放大制備的微米錫負(fù)極，研究制備了安時級鈉離子電池，實現(xiàn)了超過453 Wh/L的高體積能量密度，并在4C倍率下實現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)。此外，該電池還展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能，綜合指標(biāo)優(yōu)于商業(yè)磷酸鐵鋰電池。
這項研究為設(shè)計合金負(fù)極提供了新思路，并為開發(fā)下一代高能量密度鈉離子電池提供了可擴(kuò)展的實用化路徑。
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“ABEC系列活動一：2026下一代電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會”將于2026年5月12日在深圳啟幕，其中，鈉電池專場聚焦鈉電池這一前沿技術(shù)和市場應(yīng)用領(lǐng)域，與會嘉賓將共同探索資源豐富、成本優(yōu)勢顯著的鈉電池在規(guī)模化儲能與電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。會議同期還將舉辦“2026鈉電池產(chǎn)業(yè)競爭力TOP10品牌頒獎盛典”，屆時全球產(chǎn)學(xué)研等業(yè)界精英將齊聚深圳，凝聚行業(yè)共識，加速技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，共同推動下一代電池技術(shù)的成熟與商業(yè)化應(yīng)用，為全球能源轉(zhuǎn)型提供核心動力。
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