近日，东南大学能源与环境学院、东南大学新一代储能中心吴宇平教授、贺加瑞教授团队与东南大学土木工程学院陈耀教授课题组以“Dynamic Gradient Oxygen Layer Enables Stable Sn Anode for Lithium Storage”为题在国际权威期刊Advanced Materials（影响因子27.4）上发表了研究型论文。论文第一作者为东南大学能源与环境学院23级博士研究生刘希，通讯作者为东南大学贺加瑞教授和陈耀教授。
锂离子电池（LIB）由于其高能量密度、环境友好性和长循环寿命等优势而受到广泛关注。随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，高能量密度电池的需求日益迫切。作为当前商业LIB的主流负极材料，石墨较低的理论容量（372 mAh g-1）已严重限制了高能量密度电池的发展。相比之下，合金型负极材料锡（Sn）具有优异的导电性和高理论容量（Li4.4Sn，990 mAh g-1），展现出巨大的应用潜力。然而，Sn负极在深度锂化（形成Li4.4Sn）过程中会产生显著的体积膨胀，导致电极结构粉化与活性物质脱落，从而影响电池的循环稳定性。此外，Sn负极的合金化反应机制尚不完全明确，进一步制约了其实际应用。因此，开发具有明确反应机制、优异循环稳定性和高容量的Sn基负极材料具有重要意义。
本研究通过合理构型设计，创新性地在Sn颗粒表面原位构筑了具有不规则层状微结构的SnOx（x=1，2）（Sn@SnOx）包覆层。该包覆层基于SnOx的插层型储锂机制，有效缓解了体积膨胀并减少了活性锂的不可逆消耗。在循环过程中，随着层状结构的逐步破裂，SnOₓ壳层表面形态逐渐由初始的类晶格状微结构演变为具有动态氧梯度的致密非晶保护层，从而高效抑制Sn颗粒的机械破碎。具体而言，外层高氧浓度区，Li+与氧结合形成稳定的Li2O，构建坚固的固体电解质界面（SEI），增强电极/电解液界面的稳定性。中间非晶SnOx区，作为Li+嵌入的缓冲层，促进离子快速传输。内核贫氧区，以Sn金属为主，确保高容量储锂。这种梯度结构不仅优化了Li+的扩散动力学，还实现了Sn的深度锂化。此外，多场耦合下精细化计算模拟结果表明，Sn颗粒表面的SnOx不规则微结构在向非晶态包覆层转变的过程中能有效耗散机械能，从而显著抑制Sn颗粒的破碎行为。得益于动态梯度氧保护层的协同作用，Sn@SnOx负极在900次循环后仍保持84%的容量保留率，展现出卓越的长循环稳定性。本研究为高性能合金型负极材料的结构设计提供了新思路。
该研究工作获科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省杰出青年基金和东南大学高层次人才启动经费等项目资助。
东南大学“三尺储能”研究团队由国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划项目首席、东南大学新一代储能中心执行主任吴宇平教授牵头组建，团队秉承东南大学“以科学名世、以人才报国”的理念，团队现有10位教师，其中国家级人才1人、国家级青年人才7人。主要研究方向包括锂/钠/钾离子电池、高能量密度锂金属电池和锂硫电池、高安全水系金属离子电池以及高功率密度混合电容器等。团队紧紧围绕高性能电化学储能材料及器件的研究，助力“碳达峰、碳中和”。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505136
