硬质碳锡纳米复合材料打造高性能电池阳极

随着从电动汽车到大规模储能系统（ESS）等各个领域对能够超快速充电和高能量密度的电池的需求不断增长，浦项科技大学（POSTECH）和韩国能源研究所（KIER）的一个联合研究小组开发了一种有前景的下一代阳极材料，可以满足这些关键需求。该研究发表在ACS Nano杂志上

虽然石墨是锂离子电池（LIB）中最常见的阳极材料，具有强大的结构稳定性，但它受到其低理论容量和缓慢充电/放电速率的限制。为了克服这些局限性，研究人员提出了一种将硬碳与锡（Sn）结合的新型电极设计

硬碳是一种无序的碳材料，具有丰富的微孔和通道，有助于锂和钠离子的快速扩散。这种结构能够实现高能量存储和机械坚固性，使其成为高速率和长寿命应用的理想选择

然而，加入锡带来了另一个挑战。锡颗粒越小，循环过程中有问题的体积膨胀就越有效地减少，从而提高了整体稳定性。不幸的是，锡的低熔点（约230°C）使得合成如此细小的颗粒变得困难。研究小组使用溶胶-凝胶工艺，然后进行热还原，成功地将均匀分布的亚10 nm锡纳米粒子嵌入硬碳基质中，解决了这个问题。

由此产生的复合结构表现出超越简单物理混合的功能协同作用。锡纳米粒子不仅充当活性材料，还充当催化剂，促进周围硬碳的结晶。在电化学循环过程中，Sn-O键的可逆形成有助于通过转化反应提高电池容量

工程电极在锂离子电池中表现出优异的性能，在20分钟快速充电条件下保持1500次循环的稳定运行，同时与传统石墨阳极相比，体积能量密度提高了1.5倍。这一成就代表了高功率、高能量和长循环寿命在一个电极中的成功集成

值得注意的是，该电极在钠离子电池（SIB）中也表现出了出色的性能。钠离子通常与石墨或硅等传统阳极材料的反应性较差。然而，硬碳-锡纳米复合结构在钠环境中保持了优异的稳定性和快速动力学，突显了其在多个电池平台上的多功能性

浦项制铁的Soojin Park教授表示：“这项研究代表了下一代高性能电池开发的一个新里程碑，并有望在电动汽车、混合动力系统和电网规模的ESS中得到应用。”

KIER的Gyujin Song博士补充道：“实现同时具有高功率、稳定性和能量密度的阳极，以及其与钠离子系统的兼容性，标志着可充电电池市场的一个转折点。” More information: Sungho Choi et al, Catalytic Tin Nanodots in Hard Carbon Structures for Enhanced Volumetric and Power Density Batteries, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c00528

Journal information: ACS Nano