近日，西南交通大学前沿科学研究院杨维清团队在锑基合金型负极材料研究方面取得新进展：构筑了石墨炔包覆锑纳米盒用于高性能钠离子电池。相关研究成果受到全球最权威的独立科技商业媒体麻省理工科技评论的报道，同时转发在微博、今日头条、知乎、搜狐多家知名媒体平台。麻省理工科技评论报道如下：

最近几年，世界各国对清洁能源的发展保持高度关注，中国也提出了“碳达峰、碳中和”的愿景。近年来，清洁能源的发展已成为全球多数国家的共识，中国也提出“碳达峰、碳中和”的宏伟目标。在这一背景下，钠离子电池作为锂离子电池的有益补充或替代品，得到了快速的发展。

然而，缺乏高性能负极材料是制约钠离子电池发展的关键因素之一。合金型负极材料锑（Sb）因诸多优点得到了高度关注，例如，理论比容量高、导电性优异、工作电压适中、资源储量丰富等。

但是，锑基材料在充放电过程中往往产生剧烈的体积变化，这会引发电极材料粉化从导电网络剥离，最终导致电池性能的快速衰减。

图丨杨维清（来源：杨维清）

西南交通大学杨维清教授团队针对锑基材料在充放电过程中体积膨胀的问题，首次将石墨炔与锑复合，构筑了一种蛋黄-蛋壳结构的新型石墨炔包覆锑纳米盒（Sb@Void@GDY NBs）。

和传统的碳包覆锑纳米空心立方盒（Sb@C NBs）相比，这种新型石墨炔包覆锑纳米盒的优势体现在，其倍率性能更好、循环寿命更长。在 10 A g^-1 的高倍率下能实现 294 mAh g^-1 的高比容量；在 1 A g^-1 下循环 8000 圈后，比容量还依然能保持在 325 mAh g^-1，容量保持率达 74%。

该团队发现，新型石墨炔包覆锑纳米盒的构筑能在储钠过程中发挥显著作用，即能让材料的结构更加稳定。研究人员观察到，换为石墨炔壳层后钠离子传输可实现更快的速度。

基于新型石墨炔包覆锑纳米盒负极、磷酸钒钠正极的钠离子全电池可以稳定循环并提供较高功率输出，证明了 Sb@Void@GDY NBs 具有良好的应用潜力。

审稿人认为，该研究报道了一种新的方法，通过用石墨炔（Graphdiyne，GDY）取代传统的碳材料，形成蛋黄-蛋壳结构的 Sb@Void@GDY NB，来提高 Sb/C 复合材料的倍率性能和循环寿命。GDY 中特殊的面内空穴，让 Na⁺ 得以通过 GDY 壳层实现快速扩散。

最重要的是，和以往锑基材料在充放电过程中容易产生体积变化作对比，蛋黄-蛋壳结构和内部空隙空间可以容纳锑的体积膨胀。新型石墨炔包覆锑纳米盒凭借这些优点表现出优异的倍率性能和非凡的循环稳定性。这种材料设计新颖，新材料的储钠性能十分出色。

西南交通大学杨维清教授指出：“这种材料或者说这种改性策略，能够有效提升锑基材料的储钠性能，可以在大规模储能和低速电动车等领域得到广泛推广。”

图丨相关论文（来源：ACS Nano）

前不久，相关论文以《用于高倍率、长寿命钠离子电池的石墨炔包覆锑纳米盒》（Yolk–Shell Sb@Void@Graphdiyne Nanoboxes for High-Rate and Long Cycle Life Sodium-Ion Batteries）为题发表在 ACS Nano 上^[1]。

西南交通大学刘妍副教授是该论文第一作者，杨维清教授为论文通讯作者。

图丨Sb@Void@GDY NBs 结构示意图（来源：ACS Nano）

研究过程中，课题组成员定期开展小型讨论会，共同讨论论文中的各个细节和争议点，并提出不同的观点和建议。杨维清表示：“这种开放式和合作式的讨论氛围，不仅加强了团队成员之间的交流和合作，而且也有助于提高论文的质量和可信度。我们会继续一直保持这种讨论氛围。”

研究中难免会遇到各种各样的挑战和困难，他举例说，比如在实验中遇到了设备故障和样品污染等问题，团队成员不仅需要处理复杂的化学反应和材料制备过程，还需要经常对实验设备进行维护和调整，以确保实验数据的准确性和可靠性。

有时他们还需要对实验结果进行多次重复和验证，以排除实验误差和偶然性因素的影响。此外，在论文撰写和修改中也会遇到一些争议和挑战。每当这时，他们都对实验结果会进行多次分析和解释，以向同行专家和审稿人证明实验结果的正确性和科学性。

图丨杨维清团队合影（来源：该团队）

当然，我们面对一些反对意见和批评时也尽量做到迅速回应，以改善和完善我们的研究工作。在这些挑战和困难面前，我们保持谦虚和开放的态度，积极寻求解决问题的方法和思路。”杨维清说。

如果研究获得了积极的成果和反响，他们会考虑继续深入开展相关的后续研究工作，以进一步探究和发展该锑基钠离子电池负极材料的性能和应用。

在该研究中，该课题组已经成功合成 Sb@Void@GDY NBs，并对其进行了性能表征。但是，制备工艺仍然需要进一步优化，以提高材料的制备效率和稳定性。“我们可能会研究新的材料制备方法和工艺条件，以获得更好的制备效果。”杨维清表示。

在材料制备和性能研究的基础上，他们计划尝试进行材料改性和优化设计，以进一步提高该材料的性能和稳定性。例如，通过添加新的助剂和掺杂元素，来调控材料的电化学性能和结构特征。

在对该材料进行全面性能表征的基础上，该团队还打算开展应用研究。比如，在实际电池体系中的性能表现、对环境和健康的影响等方面进行研究，以评估其实际应用潜力和安全性。

参考资料：

[1] Yan Liu et al. ACS Nano 2023, 17, 3, 2431-2439 https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09679

麻省理工科技评论中文官网原文链接：https://www.mittrchina.com/news/detail/12011