近日，我校机械工程学院刘文博教授团队在下一代高性能锂离子电池电极结构优化设计与性能提升方面取得重要研究进展，相关研究成果以“Mobius strip-like”FeSn alloy: A novel highly-distorted 3D hierarchical porous anode for ultrafast and stable Li storage”为题发表于材料科学领域国际能源顶级期刊《Energy Storage Materials》，第一作者为刘焕岩助理研究员。

锡是一种极具潜力的锂离子电池负极材料，当在嵌锂形成Li4.4Sn合金时，其容量可高达994 mAh g−1。然而，此过程会产生很大的体积变化（约260%），从而在材料内部产生机械应力，进而导致电接触不良和显着的容量衰减。为克服上述困难，对电极进行特定的形态修饰是一种有效的策略。与传统平面结构电极相比，3D多孔电极具有更大的比表面积和更多的内部微空间，这有助于改善活性材料负载量，并有助于适应锂化-脱锂过程中结构的体积膨胀。然而，仍无法满足长期稳定循环的需求，有待进一步优化缓解活性材料锂化-脱锂过程产生的内应力。

“莫比乌斯带” 在可展表面上拥有最小的表面能态，具有多种独特物理性质，已应用于包括拓扑学、几何学、流体力学、建筑设计和艺术等各个领域。从材料力学理论出发，不断扭曲“莫比乌斯带”表面可以有效缓解应力集中，提供从一个位置的平滑形态转变到截面无突变的另一形态。例如，在实际工程应用中，由于圆角应力集中低于尖端，明石海峡大桥、埃菲尔铁塔和北京凤凰国际传媒中心等建筑物合理利用了“莫比乌斯带”的结构优势。 因此，可以预测，将扭曲形貌与3D分层多孔结构相结合的设计策略可有效增强锡基负极循环稳定性，具有很大的应用前景。遗憾的是，在微纳尺度上，该策略目前尚未见报道。

受“莫比乌斯带”独特结构特性的启发，刘文博教授团队通过脱合金和溶胶-凝胶热解法构建了新型高度扭曲的碳包裹3D分层多孔FeSn电极（HD-3D-HPFeSn@C），不仅缓解了在充放电过程中的巨大体积膨胀，也有效改善了Li+传质并提高了电极整体的导电性，从而获得了优异的储锂性能，为下一代高性能锂离子电池负极提供了一种新颖且通用的设计理念。

图1. Fe70Sn30前驱体的结构形貌与HD-3D-HPFeSn@C负极的原位设计示意图

图2. HD-3D-HPFeSn@C负极形成过程的形貌与成分分析

图3. HD-3D-HPFeSn@C负极的形貌与结构表征

图4. HD-3D-HPFeSn@C负极的电化学性能

图5. HD-3D-HPFeSn@C负极的反应机理研究

图6. HD-3D-HPFeSn@C负极的循环后结构、全电池应用与嵌脱锂反应机制示意图

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省重大基础设施建设项目、四川省国际科技创新合作等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103234