德州大学奥斯汀分校和厦门大学：高储锂性能的Cu-Sn-S自组装纳米管

【背景介绍】

Cu-Sn-S（CTS）是一种环境友好和储量丰富的新型太阳能电池材料，同时具有较高的储锂理论容量、较大的层间距和通道尺寸，使其有望成为下一代锂电池的高性能电极材料。目前报道的CTS电极材料大部分为颗粒状且具有较大的体积膨胀，从而导致明显的容量衰减现象。如果能够构造合理的纳米材料，结合含有不同物相组成的核壳结构，将有望大大提高其电化学性能。

【成果简介】

近日，德州大学奥斯汀分校的Mullins教授和Henkelman教授、厦门大学的郭航教授（共同通讯）和联培博士生林杰（第一作者）等人在ACS Nano上发表题为“Self-Assembled Cu−Sn−S Nanotubes with High (De)Lithiation Performance”的文章。该工作提出一种无添加剂的凝胶-溶剂热法，制得自组装的CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒，通过多种材料表征技术发现该纳米管具有Cu_3-4SnS₄@Cu₂SnS₃的多相核壳结构，并通过密度泛函理论（DFT）计算对比不同物相的体积变化、锂化曲线和形成焓，证明该核壳结构可有效缓解锂化时的体积膨胀，从而表现出优异的电化学性能（200次循环后可逆容量仍保持在774mAh/g）和较高的初始库伦效率（82.5%）。此外，还利用DFT计算三种不同物相在不同锂化阶段时的原子结构变化，结合精修后的原子模型，提出单分子可嵌入18摩尔锂的Li-Cu-Sn-S固溶体反应。

【图文导读】

图1：CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的形貌

（a, b）配合物纳米管模板和所制得的CTS纳米管

（c, d）配合物次纳米管模板和所制得的CTS次纳米管

（e, f）制得的CTS纳米颗粒和CTS纳米管的中空截面图

图2：CTS纳米管的结构表征

（a）CTS纳米管的透射电镜图以及内外区域的选区电子衍射图

（b）CTS纳米管的表面高分辨透射电镜图

（c-f）CTS纳米管的扫描透射电镜元素分布图

图3：CTS物相的密度泛函理论计算

（a）三种CTS物相锂化时的体积变化率

（b）三种CTS物相的理论锂化曲线

（c）三种CTS物相锂化时的形成能凸包分析

（d-f）三种CTS物相在不同锂化阶段时的原子结构变化

图4：CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的电化学性能

（a）CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的循环性能及其库伦效率

（b）CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒的倍率性能及其充放电容量

【小结】

本工作提出的配合物模板及其自组装方法可用于制备类似的Cu基硫化物纳米管，并用于储能或其他领域。密度泛函理论的计算结果为Cu-Sn-S材料的储能应用提供了理论依据，而该核壳结构及其分析、计算方法也为开发其他新型多元材料提供了创新性思路。

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

相关论文：

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

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

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