香港科技大学ZhengTang Tuo课题组--SnSe纳米颗粒修饰的3D石墨烯骨架为钠金属电池提供双成核位点界面

具有高能量密度的天然丰富的钠（Na）金属负极的实际应用受到电池运行期间大体积膨胀和枝晶形成的阻碍。这项工作报告了利用化学气相沉积法（CVD）在高导电多孔3D石墨烯泡沫（GF）上均匀负载SnSe纳米颗粒(SnSe@GF)，作为钠金属阳极的骨架。通过原位透射电镜观察到，钠预沉积后，SnSe转化为Na₁₅Sn₄和Na₂Se，结合密度泛函理论计算，发现这种转化能够原位形成独特的双成核位点界面，该界面具有高钠亲和力和丰富的活性位点，有助于钠的均匀成核和抑制枝晶生长，从而提高SnSe@GF电极的稳定性和电化学性能。SnSe@GF电极在非对称电池中经过1500次循环后仍保持高可逆性，并在对称电池中在电流密度为1 mA cm^-2和容量1 mAh cm^-2下表现出优异的循环稳定性和较低过电势超过2000小时。这些发现为钠的成核和沉积行为提供了新的重要见解，可广泛应用于高能量密度和无枝晶金属电池的设计。

         

          Fig 1. 原理图和相变。(a) 获得 SnSe@GF 电极的制造过程示意图。(b) 3D 和 (c)原位同步加速器高能 XRD 图的 2D 等值线图，通过在 Ar 气氛中将 SnSe₂ @GF 电极从 25℃ 加热到 650℃ 获得。(d) SnO₂、SnSe 和 SnSe₂的标准 XRD 图。含有和不含硒粉的 Sn²⁺ /GelMA/GF 的高分辨率 (e) Sn 3d、(f) O 1s、(g) Se 3d、(h) N 1s 和 (i) C 1s XPS 光谱。

       

          Fig 2. SnSe@GF 的形貌和结构。（a）SEM 图像和（b）SnSe@GF 的 TEM 图像和 SnSe 纳米粒子的尺寸分布（插图）。(c) SnSe@GF 示意图。(de) SnSe 纳米粒子的 HRTEM 图像。(f) XRD 图和 (g) GF 和 SnSe@GF 的拉曼光谱。

       

          Fig 3. SnSe@GF 电极的电化学性能。使用预钠化 (a) 纯 GF 和 (b) SnSe@GF 电极在 100 个循环前后的对称电池的 EIS 曲线。100 次循环后 (c) 纯 GF 和 (d) SnSe@GF 电极的 SEM 图像。比例尺为 100μm。(e) 在 1 mA cm^-2和 1 mAh cm^-2下，不对称电池中纯 GF 和 SnSe@GF 电极的 CE 与循环数图。具有预钠化 GF 和 SnSe@GF 电极的对称电池的电化学充电/放电电压曲线（f）在 1 mA cm^-2的面积电流和 1 mAh cm^-2的容量下测量，（g）在面积5 mA cm^-2的电流和 5 mAh cm^-2的容量(h) 在0.5至10 mA cm^-2范围内的面积电流和1 mAh cm^-2的容量下。(i) 当前 Na-SnSe@GF 对称电池与使用不同碳基主体制备的最先进钠金属阳极的电化学性能比较。

          

          Fig 4. SnSe@GF 电极的 Na 电镀行为。(a) 纯 GF 和 (b) SnSe@GF 电极的成核过电位。非原位SEM 图像揭示了在 0.1 mA cm^-2的电流密度和 (c, e) 1 mAh cm ^-2和(d, f) 3 mAh cm^-2的面容量下沉积 Na 后 (c, d) 纯 GF 和 (e, f) SnSe@GF 主体的形态。(g)纯 GF 和 SnSe@GF 电极上Na ⁺电沉积的原位光学图像。比例尺为 500μm。

        

          Fig 5. 原位TEM 观察可视化 Na 电镀行为。(a)原位TEM 纳米电池示意图。连续的 TEM 图像代表在 (b) 纯 GF 和 (c) SnSe@GF 主体上镀 Na 的不同阶段。(d) 从视频帧中获取的纯 GF 和 SnSe@GF 电极之间的平均归一化对比度和标准偏差的比较，用于图 S9 所示的 TEM 图像中指示的 5 个点。SnSe@GF 电极 (e) 在镀 Na 之前和 (f) 之后的 SAED 图案。(g) 纯 GF 和 SnSe@GF 电极的 Na 电镀行为示意图。

       

          Fig 6. 理论研究和全电池性能。吸附在 (a) 纯石墨烯 (002)、(b) Na₁₅Sn₄ (400) 和 (c) Na₂Se (220) 平面上的七个 Na 原子的电荷密度差异图。黄色：电荷积累，蓝色：电荷耗散。(d) 放置在不同衬底上的不同数量的Na原子的成核能。(e) 倍率性能和 (f) Na-GF||NVP 和 Na-SnSe@GF||NVP 全电池在不同电流密度下的充电/放电电压图。不同全电池在 (g) 1 C 和 (h) 5 C 下的循环性能。

相关研究工作由香港科技大学Zhengtang Luo课题组于2023年在线发表在《Energy Storage Materials》期刊上，原文：Uniform SnSe Nanoparticles on 3D Graphene Host Enabling a Dual-Nucleation-Site Interface for Dendrite-Free Sodium Metal Batteries。