苏大《AFM》：揭示碱金属离子电池中Sn4P3阳极的电化学行为！

Sn₄P₃二元合金负极备受关注，不仅是因为P和Sn的协同效应，而且因为它在碱金属离子电池(AIB)中的广泛应用，包括锂离子电池(LIB)、钠离子电池(SIB)和钾离子电池(PIB)。然而，Sn₄P₃阳极在AIBs中的碱金属离子(A⁺)储存和容量衰减机理尚不清楚。

来自苏州大学等单位的研究人员结合非原位X射线衍射、透射电子显微镜和密度泛函理论计算表明，Sn₄P₃阳极经历了Sn和P的分凝，然后A⁺在P中插入，然后在Sn中插入。此外，微分电化学曲线和非原位X射线光电子能谱结果表明，A⁺在P和Sn中的深度插入，特别是在P中的深度插入，这是导致AIBs容量降低的主要原因。严重的钠金属枝晶生长导致SIBs的容量进一步降低，而PIBs中不稳定的固体电解质界面和迟缓的动力学导致容量衰减。所提出的变质策略和系统分析方法不仅为其他合金基阳极材料的开发提供了理论指导，也为包括结构劣化、SEI不稳定、枝晶生长、动力学迟滞等失效机理。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202102047

结合非原位XRD、TEM和DFT计算，本文证明了Sn₄P₃阳极在初始放电过程中经历了Sn和P的分凝，然后是A⁺在P中的插层，然后是在Sn中的插层。Sn₄P₃阳极在AIB中的不同比容量主要归因于不同的相变次数和最终插入颗粒。此外，微分电化学曲线、非原位X射线光电子能谱和扫描电镜分析表明，A⁺在P和Sn中尤其是在P中的深度嵌入导致了AIBs中Sn₄P₃阳极的容量衰减。严重的枝晶生长进一步导致SIB的容量衰减，而在PIB中，不稳定的固体电解质界面和迟缓的动力学导致容量衰减。

最后，碳杂化策略大大提高了Sn₄P₃阳极的电化学性能，改善了Sn₄P₃阳极的结构稳定性和动力学性能。本文的方法对结构退化、SEI不稳定、枝晶生长和动力学迟滞等失效机理提供了理解。本研究所采用的改性策略和系统分析方法可为其他合金基阳极材料的开发提供了理论指导。 （文：SSC）

图1.Sn₄P₃的物理和电化学特性

图2.AIB中Sn₄P₃阳极的结构转变

图3.AIB中Sn₄P₃阳极的密度泛函计算

图4.AIB中Sn₄P₃阳极的容量衰减分析

图5.AIB中Sn₄P₃阳极的SEI演化

图6.铜和Sn₄P₃阳极上碱金属沉积特性

图7.AIB中Sn₄P₃阳极的动力学

图8.在SIB中通过碳杂交提高Sn₄P₃阳极的容量保持率。