陕科大杨艳玲/南昆士兰陈志刚CEJ：以丝绵材料为基底制备钠离子电池柔性负极材料

通讯作者：杨艳玲，陈志刚

共同第一作者：孙瑜，史晓磊，杨艳玲

第一单位：陕西科技大学

锡（Sn）基材料具有较高的理论比容量，因此被认为是钠离子电池（SIBs）较为合适的负极材料之一，近年来逐渐成为了研究人员关注的热点。然而，在SIBs充放电过程中，Sn基材料会伴随着巨大的体积变化，导致材料结构容易破碎，循环稳定性差，从而极大地缩短了SIBs的循环寿命。本文，陕西科技大学材料学院杨艳玲教授课题组与澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授课题组在国际知名期刊《Chem. Eng. J.》上发表题为“N-doped silk wadding-derived carbon/SnO_x@reduced graphene oxide film as an ultra-stable anode for sodium-ion half/full battery”的论文，利用冷冻干燥工艺和碳化工艺相结合研究设计了一种具有新颖结构的氮掺杂丝绵衍生碳/SnO_x@还原氧化石墨烯（N-SWC/SnO_x@rGO）柔性薄膜，形成无粘合剂且自支撑的高性能SIBs负极材料。

N-SWC/SnO_x@rGO柔性薄膜优越的电化学性能归因于以下独特的结构特征：1）SnO_x纳米颗粒（<100nm）附着在丝绵衍生碳（SWC）表面以提供更多Na⁺活性位点；2）rGO和SWC形成一个双层导电系统，可以极大地促进N-SWC/SnO_x@rGO薄膜中电子的传输效率，从而大大加速了SIBs的反应动力学；3）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜是个带有空隙的纤维导电网络，可以增加电解质溶液与SnO_x的接触面积，有效地缩短了Na⁺的传输路径。

这项工作为超稳定柔性SIBs负极材料的制备提供了一个新的视角，为生物质材料在SIBs领域的应用提供了新的设计思路。

【图文导读】 

图1.（a）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的制备示意图；（b）SWC的模型示意图和SWC的SEM（c，d）图像；（e）N-SWC/SnO_x的模型示意图和N-SWC/SnO_x的SEM（f，g）图像；（h）N-SWC/SnO_x@rGO的模型示意图和N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的SEM（i，j）图像。

图2. N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的（a）EDS和（b）TGA曲线；（c，d） SWC、N-SWC/SnO_x和N-SWC/SnO_x@rGO的XRD图谱和拉曼图谱；（e）N₂吸附/解吸等温线和（f）相应的孔径分布曲线；（g）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的XPS全谱图和（h）Sn 3d，（i）O 1s，（j）C 1s和（k）N 1s光谱。

图3. N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的（a）SEM和（b）TEM图像；（c，d）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的高倍率TEM和高分辨率晶格条纹图；（e）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的晶格衍射环；（f-j）图（f）中N-SWC/SnO_x@rGO膜的元素映射；（k）碳化前后薄膜的光学照片；（l）柔性薄膜不同程度弯曲的光学照片。 

图4.（a）SWC和（b）N-SWC/SnO_x@rGO的CV曲线；（c）SWC、N-SWC/SnO_x和N-SWC/SnO_x@rGO在不同电流密度下的循环曲线；（d）rGO、SWC、N-SWC、N-SWC/SnO_x和N-SWC/SnO_x@rGO在0.1 A g^-1下循环100圈；（e）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜不同圈的充放电曲线；（f）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的库伦效率图；（g）SWC、N-SWC/SnO_x和N-SWC/SnO_x@rGO薄膜在1 A g^-1下循环1000圈。

图5.（a）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜的电子和Na⁺传输机制；（b）N-SWC/SnO_x@rGO薄膜合金化过程中的模拟示意图。

图6.（a）Na₃V₂(PO₄)₃（正极）与N-SWC/SnO_x@rGO薄膜（负极）耦合成SIBs全电池；（b）SIBs全电池点亮的LED灯照片；（c）SIBs全电池在不同电流密度下的循环性能；（d）SIBs全电池在0.1 A g-1下循环100圈；（e）SIBs全电池的库伦效率；（f）组装的SIBs全电池的循环性能与先前报道全电池的比较图。

【总结】

这项工作开发了一种由三维导电碳纤维网络构成的柔性N-SWC/SnO_x@rGO薄膜，并将薄膜作为无粘结剂的超稳定SIBs负极材料。该薄膜不但能有效地缩短电子/Na⁺的扩散路径，加快反应动力学的进行，还可以为电子/Na⁺的吸收提供丰富的活性位点。这项工作展示了N-SWC/SnO_x@rGO薄膜作为SIBs高稳定性负极材料的巨大潜力，也为今后生物材料在SIBs领域的运用提供了新颖的设计思路。

Yu Sun, Yanling Yang, Xiao-Lei Shi, Guoquan Suo, Fan Xue, Jiajun Liu, Siyu Lu, Zhi-Gang Chen, N-doped silk wadding-derived carbon/SnO_x@reduced graphene oxide film as an ultra-stable anode for sodium-ion half/full battery. Chem. Eng. J., 2021, 133675. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133675

通讯作者介绍：

杨艳玲，教授，博士生导师。国家自然科学基金同行评议专家，多个国际期刊的编委。主要从事纳米能源材料的可控合成与器件等领域的研究开发及教学工作，近年来主持完成了国家自然科学基金项目2项，主持完成了人社部、科技厅等各类项目10余项。发表学术论文70余篇，被SCI引用600余次，获授权发明专利10余项，获得省部级科技奖励1项（第一完成人）。

陈志刚，澳大利亚南昆士兰大学能源材料教授和澳大利亚昆士兰大学荣誉教授，能源学科带头人。Journal of Materials Science and Technology, Progress in Natural Science, Journal of Advanced Ceramics， Rare Metal，Energy Materials Advances, Microstructures等期刊编委，科睿唯安"高被引科学家"。

2008年博士毕业后即成功申请到“澳大利亚研究理事会博士后研究员”职位，前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，荣誉教授。目前担任澳大利亚南昆士兰大学功能材料学科带头人。

长期从事功能材料特别是热电材料在能量转化的基础和应用研究。先后主持共计一千万澳元的科研项目，其中包括6项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚科学院、2项州政府、数项工业项目和8项校级的科研项目。在昆士兰大学和南昆士兰大学工作期间，共指导17名博士生和3名硕士研究生，其中已毕业博士生7名和硕士生4名。

近年来，在Nat. Energy, Nat. Nanotech. 、 Nat. Commun. 、 Prog. Mater. Sci. 、 Adv. Mater. 、 J. Am. Chem. Soc. 、Angew. Chem. Int. Edit.、 Nano Lett. 、Energy Environ. Sci. 、ACS Nano、Adv. Energy Mater. 、Adv. Functor. Mater. 和 Nano Energy 等国际学术期刊上发表330篇学术论文，其中论文共被SCI引用19000余次，H-index达到70。