中國粉體網訊 隨著社會的發展，具有較低理論比容量的碳材料（372mAh·g-1）作為鋰離子電池負極材料已經不能充分滿足人們對高容量鋰離子電池日益增長的需要。錫基材料具有遠高于碳材料的理論比容量以及安全性能，成為下一代鋰離子電池負極材料的理想材料。
一、錫基材料的特點
錫基材料因其具有高的比容量（Sn：990mAh/g，SnO2：1494mAh/g，分別是石墨碳理論容量的2倍和4倍多），嵌脫鋰電壓適中，自然儲量豐富，價格低廉，無毒，安全性高和環保等優點，受到人們的廣泛關注和研究，是取代當前商業碳成為下一代鋰離子電池負極材料的理想材料。但是，錫基材料由于其在嵌脫鋰時發生相變和合金反應，產生巨大的體積膨脹效應，材料粉碎，結構受到破壞，容量急劇衰退，其循環性能差，因而其倍率性能也比較差。因此，為了解決錫基負極材料所面臨的問題，研究人員開始研究一系列方法對其進行改性。合理的結構設計能夠引入空隙空間為錫的體積膨脹提供緩沖空間。因此，材料結構設計是一種常用的錫基負極材料的改性策略。
二、錫基負極材料的結構設計
合理的結構設計不僅能夠為錫的體積膨脹提供緩沖空間。同時，新穎的結構設計還能提高電極材料的動力學性能及結構穩定性。
1、零維錫基負極材料
和塊體材料相比，零維材料具有超高的比表面積，能為電化學反應提供充足的活性位點。得益于小尺寸效應，在零維結構中材料的體積膨脹和顆粒團聚問題被有效地抑制。York-shell結構的內部空隙空間能為活性物質的體積膨脹預留充足的緩沖空間，從而使材料在循環過程中保持殼層的完整不被破壞。Lee等人通過軟模板法將Sn顆粒成功密封在空心碳球殼中得到york-shell結構的Sn/C納米球。碳球殼能夠作為錫顆粒團聚的壁壘，同時空心的碳囊結構能夠有效地容納Sn顆粒的體積變化。
噴霧輔助法被認為是一種制備零維材料有效的手段。目前，利用該方法已成功制備了一系列的Sn/C零維負極材料。利用噴霧干燥熱解法，Liu等人成功制備了納米錫顆粒鑲嵌在碳基底中的零維復合材料。這一獨特的結構能夠同時抑制體積波動和Sn團聚，從而有效地緩解內部應力，從而延長循環壽命。
2、一維錫基負極材料
一維材料能夠有效地控制徑向上的內部應力聚集，并且豐富的間隙空間能快速地促進應力釋放，從而使一維電極材料具有良好的循環穩定性。并且一維材料內部交聯的網絡結構能促進離子傳輸和電子轉移，從而提高倍率性能。到目前為止，研究人員已開發出許多一維錫基負極材料，包括一維納米線、一維納米管、一維納米陣列等。
靜電紡絲技術作為一種高效的制備一維材料的技術被廣泛使用。Liu等人通過電紡絲技術制備了一維Sn/C材料，1-2nm的超細Sn納米點均勻而致密地分布在氮摻雜碳納米纖維中。該復合材料能用于高性能鈉離子電池，并且不需要使用集流體及粘結劑。該SnNDs@PNC納米纖維材料的錫含量大于60%，從而使該材料在200mAg-1的倍率下表現出633mAhg-1的超高儲鈉比容量，并且在10000mAg-1的超高倍率下仍保持483mAhg-1的可逆比容量。這一優異的儲鈉性能主要歸因于超細納米錫顆粒在碳基底中非常均勻而緊密的分布，同時氮摻雜的碳大大提高材料的動力學性能。
3、二維錫基負極材料
石墨烯具有諸多優異的物理化學性能，包括高電導率、高柔韌性及結構強度、高比表面積及豐富的表面官能團等，因此石墨烯被證明是一種優秀的錫基負極材料的載體，并已被廣泛研究。Zhou等人通過將SnO2納米晶粒與氮摻雜的石墨烯混合加熱制備得到了具有特殊形貌特征的二維Sn@N-RGO復合材料。該形貌結構的主要優勢包括：（1）連續的石墨烯片層能夠構筑完整的導電網絡；（2）錫顆粒表明和石墨烯間能形成Sn-N及Sn-O等鍵從而使顆粒穩定地固定在石墨烯片上；（3）疏松多孔的結構能夠保證離子的快速傳輸并容納錫顆粒的體積膨脹。
二維層狀材料能夠有效地降低體積膨脹，同時為電化學反應提供大量的活性位點。并且，層間空隙能夠促進電解液的快速浸潤并抑制活性顆粒的粉碎和團聚。
不過，由于二維材料往往具有開放的結構，活性物質往往只能通過物理化學作用附著在二維基底上，在長期的充放電循環中活性物質很容易脫落造成容量的衰退。研究人員結合二維結構及york-shell結構的優勢成功設計出具有密封負載空間的二維復合材料。
4、三維錫基負極材料
到目前為止，研究人員已設計出多種三維結構負極材料，包括三維納米結構材料、三維多孔結構材料、三維網絡結構材料等。三維納米結構材料常具有精美的結構特性，由低維度的部件組合而成。Deng等人設計了一種紅毛丹果狀的Sn@C復合材料，該三維復合材料由零維的含錫碳微米球、一維的Sn@C納米管及準一維的Sn@C梨狀納米顆粒組成。
三維骨架結構具有良好的結構韌性，能夠很好地抵抗體積變化帶來的負面影響，同時骨架結構內部連通的網絡能有效提高材料的動力學性能。例如，Li等人利用靜電噴霧沉積技術（ESD）在泡沫鎳基底上制備了具有核殼結構的Sn@C三維骨架。該Sn@C復合材料具有分形結構，由小的骨架結構連接成大框架，優異的結構特性使得材料具有出色的穩定性，并且表面包覆的碳層進一步增強了材料的電化學性能。
5、錫基氧化物、硫化物及磷化物負極
錫基氧化物負極材料包括SnO2基負極材料、SnO錫負極材料及其他亞氧化錫負極材料等。錫基氧化物負極材料因其具有理論容量高、儲鋰平臺較低、成本低廉、環境友好等優勢而受到研究者的青睞。目前，研究人員已開發出一系列的錫基氧化物負極的制備方法，包括沉淀法、磁控濺射法、靜電紡絲法、水熱法、溶膠凝膠法等。
與錫氧化物類似，錫硫化物也能作為鋰離子/鈉離子電池負極材料。SnS2具有層狀結構，較大的層間距（c=0.5899nm）有利于Li+/Na+的嵌入脫出，并能更好地適應充放電過程中的體積膨脹。
目前發現的幾種儲鈉理論容量較高的負極材料包括：P（2596mAhg-1）、Sn（847mAhg-1）、Pb（484mAhg-1）及Sb（664mAhg-1）。錫磷化物包含了儲鈉比容量最高的兩種元素，因此開發錫磷化物作為鈉離子電池負極材料是目前鈉離子電池負極研究領域的熱門方向。
小結：
錫基負極材料相對于傳統的商業化石墨負極具有顯著的比容量，尤其是體積比容量優勢。同時，錫基負極材料還具有電化學電位適中、導電性好、溶劑選擇寬泛、環保無污染、自然儲量豐富等優勢。目前，對錫基材料進行改性的方法除了進行特殊的結構設計，還有減小錫基材料粒徑、與其它材料進行復合等方法。盡管如此，距離將錫基負極材料實現商業化并廣泛應用于鋰離子電池當中還有一定的距離，還需要對其進行不斷地研究與改進。
參考文獻：
閆睛，劉旭東等. 鋰離子電池錫基負極材料的改性及研究進展
馮葉峰. 鋰離子電池錫基負極材料的制備及其電化學性能研究
應杭君. 錫基負極材料的制備及其電化學性能研究
