锂离子电池因其高能量密度和长寿命而成为便携式电子设备和电动汽车的电源。随着对更高能量密度电池需求的不断增长，研究者们开始寻找新的负极材料，特别是那些通过合金化机制工作的元素，如硅、磷、锡、锑、铋和锗等。这些材料具有比传统插入式材料更高的理论比容量和体积容量。然而这些合金化负极材料在锂离子的嵌入和脱嵌过程中会发生显著的体积和结构变化，这可能导致循环过程中比容量的快速衰减。此外，体积变化还可能引起与有机电解液的不可逆副反应，导致初始库仑效率低下。复杂的合金化反应机制还会导致显著的滞后现象，这成为电池充放电速率的欧姆源，限制了电池的高倍率性能。

尽管通过纳米结构工程和碳质材料的整合已经取得了一定的进展，以减轻体积膨胀、加速电子传输速率，从而提高循环稳定性和高倍率性能，但合金材料的界面不稳定性问题仍然存在。这些材料在与电解液发生不可逆反应时，会消耗有限的锂离子，导致结构退化。此外，低振实密度使得实现坚固的粒子间电子和离子通道、高面负载和高体积能量密度变得困难。虽然作为缓冲介质的碳质材料可以对材料表面施加强大的约束力以抵抗拉伸应力，保护涂层也有助于形成稳定的固体电解质界面（SEI）膜，但在长期循环过程中，缓冲层可能因损坏和潜在的破裂而变得不够耐用。因此开发具有高结构和电化学稳定性的新型负极材料，以实现在极端条件下的可靠循环，是当前锂离子电池技术发展中面临的关键挑战。

针对锂离子电池负极材料在高能量密度需求下所面临的结构和电化学稳定性问题，由北京大学与吉林大学组成的研究团队利用泽攸科技生产的原位电化学透射电镜测量系统提出了一种新型的高熵合金负极材料SnSbMnBiTe。以解决现有合金负极材料在循环过程中的体积膨胀、结构退化和界面不稳定性等问题。通过高熵稳定化策略，这种新型负极材料展现出了优异的电导率、振实密度和杨氏模量，以及在室温和零下温度下低应变和高体积能量密度的锂离子存储性能。本文章以“High-entropy alloy anodes for low-strain and high-volumetric lithium-ion storage at ambient and subzero temperatures”为题发表在《Energy Storage Materials》期刊上，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103127

论文主要关注高熵合金作为锂离子电池阳极材料的研究，这类材料因具有高比容量和大体积容量而受到关注。传统合金基阳极材料在锂化过程中容易出现严重的体积变化和结构不稳定，影响电池的循环性能。研究团队设计了一种高熵稳定化的SnSbMnBiTe合金阳极，其混合熵达到1.61 R，表现出超高的电导率、密度和杨氏模量等优异物理性质。这些特性使得该高熵合金阳极在0.1 A g⁻¹电流密度下实现了2408.4 mA h cm⁻³的高体积容量，在5 A g⁻¹的高倍率下仍有1017.4 mA h cm⁻³的容量保持率，并且在零下30℃的低温下仍能保持1418.0 mA h cm⁻³的放电容量。

图 HE-SSMBT的反应机制和结构演变

研究中通过原位透射电子显微镜观察发现，高熵合金阳极在锂化过程中表现出的体积膨胀远小于低熵材料，这归功于其独特的结构稳定机制。高熵合金的形成基于小原子尺寸差异、适中的混合焓和高混合熵原则，这些因素共同作用于降低材料的吉布斯自由能，有利于形成稳定的晶体结构。SnSb基合金通过加入高密度的Bi和Te以及惰性的Mn，不仅提升了合金的体积容量，也有效缓解了锂化过程中的体积膨胀问题。

图 应变分析：(a) 和 (b) 展示了 HE-SSMBT 合金在原位锂化前后的顺序 TEM 图像，观察到几乎不可见的体积膨胀（约 1.9%）。相比之下，(c) 和 (d) 显示了 SS 合金在原位锂化前后的大体积膨胀（约 62%）

X射线衍射分析显示，SnSb、SnSbBiTe和SnSbMnBiTe三种样品均呈现出相同的立方结构，且无副相存在，证明了高熵合金的纯相形成。扫描电子显微镜观察表明，材料的粒径分布在数百至数千纳米之间，高分辨率透射电镜分析进一步揭示了材料的微观结构特征，计算出的晶面间距与立方结构的(200)平面一致。

图 展示了结构表征的结果：(a-c) 分别是SS、SSBT和HE-SSMBT样品的X射线衍射(XRD)图案的Rietveld精修结果。(d-f) 则是SS、SSBT及HE-SSMBT样品的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像，在这些图像的内嵌部分展示了选区电子衍射(SAED)图案

在实际应用中，高熵合金SnSbMnBiTe作为阳极材料，经过200次循环后在0.1 A g⁻¹下的容量为2838.5 mA h cm⁻³，在5 A g⁻¹下的容量为1017.4 mA h cm⁻³，显著优于中熵和低熵材料。在极端低温下，如零下30℃，其放电容量达到1418.0 mA h cm⁻³，表现出非常好的低温性能。此外，原位TEM图像揭示，高熵合金在锂化过程中的体积膨胀仅为约1.9%，明显低于低熵合金，展现了良好的结构稳定性和电化学可逆性。

这项研究提供了高熵合金材料在锂离子电池负极应用中的深入理解，并展示了其在高能量密度和宽温度范围应用中的潜力，通过这种新型合金的设计和合成，研究人员为开发下一代高性能、高稳定性的锂离子电池开辟了新的道路。

u7cc彩票作为中国本土的仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为本研究成果中用到的原位透射电镜样品杆：

以上就是泽攸科技小编分享的泽攸科技在高熵合金负极材料研究中的应用。更多扫描电镜产品及价格请咨询15756003283(微信同号)。