德州大學奧斯汀分校和廈門大學：高儲鋰性能的Cu-Sn-S自組裝納米管

【背景介紹】

Cu-Sn-S（CTS）是一種環境友好和儲量豐富的新型太陽能電池材料，同時具有較高的儲鋰理論容量、較大的層間距和通道尺寸，使其有望成為下一代鋰電池的高性能電極材料。目前報道的CTS電極材料大部分為顆粒狀且具有較大的體積膨脹，從而導致明顯的容量衰減現象。如果能夠構造合理的納米材料，結合含有不同物相組成的核殼結構，將有望大大提高其電化學性能。

【成果簡介】

近日，德州大學奧斯汀分校的Mullins教授和Henkelman教授、廈門大學的郭航教授（共同通訊）和聯培博士生林杰（第一作者）等人在ACS Nano上發表題為“Self-Assembled Cu?Sn?S Nanotubes with High (De)Lithiation Performance”的文章。該工作提出一種無添加劑的凝膠-溶劑熱法，制得自組裝的CTS納米管、次納米管和納米顆粒，通過多種材料表征技術發現該納米管具有Cu_3-4SnS₄@Cu₂SnS₃的多相核殼結構，并通過密度泛函理論（DFT）計算對比不同物相的體積變化、鋰化曲線和形成焓，證明該核殼結構可有效緩解鋰化時的體積膨脹，從而表現出優異的電化學性能（200次循環后可逆容量仍保持在774mAh/g）和較高的初始庫倫效率（82.5%）。此外，還利用DFT計算三種不同物相在不同鋰化階段時的原子結構變化，結合精修后的原子模型，提出單分子可嵌入18摩爾鋰的Li-Cu-Sn-S固溶體反應。

【圖文導讀】

圖1：CTS納米管、次納米管和納米顆粒的形貌

（a, b）配合物納米管模板和所制得的CTS納米管

（c, d）配合物次納米管模板和所制得的CTS次納米管

（e, f）制得的CTS納米顆粒和CTS納米管的中空截面圖

圖2：CTS納米管的結構表征

（a）CTS納米管的透射電鏡圖以及內外區域的選區電子衍射圖

（b）CTS納米管的表面高分辨透射電鏡圖

（c-f）CTS納米管的掃描透射電鏡元素分布圖

圖3：CTS物相的密度泛函理論計算

（a）三種CTS物相鋰化時的體積變化率

（b）三種CTS物相的理論鋰化曲線

（c）三種CTS物相鋰化時的形成能凸包分析

（d-f）三種CTS物相在不同鋰化階段時的原子結構變化

圖4：CTS納米管、次納米管和納米顆粒的電化學性能

（a）CTS納米管、次納米管和納米顆粒的循環性能及其庫倫效率

（b）CTS納米管、次納米管和納米顆粒的倍率性能及其充放電容量

【小結】

本工作提出的配合物模板及其自組裝方法可用于制備類似的Cu基硫化物納米管，并用于儲能或其他領域。密度泛函理論的計算結果為Cu-Sn-S材料的儲能應用提供了理論依據，而該核殼結構及其分析、計算方法也為開發其他新型多元材料提供了創新性思路。

文獻鏈接：Self-Assembled Cu-Sn-S Nanotubes with High (De)Lithiation Performance（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b05294）

相關論文：

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8 (50), 34372-34378.

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 (31), 17311-17317.

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