楼雄文AM：项链状yolk-shell结构作为钠离子电池负极材料！

第一作者：Zhen Li

通讯作者：楼雄文

第一单位：南洋理工大学（新加坡）

研究亮点:

开发了一种基于项链状Fe ₃ N@C纳米纤维的无粘合剂电极作为高性能的钠离子电池负极。凭借该电极的在不同尺度下的结构优势，Fe ₃ N@C纳米项链获得了较高的储钠容量、优异的循环稳定性和高倍率性能。

钠离子（Na-ion）电池由于其较低的材料成本和丰富的钠资源储量等优势而受到越来越多的关注。已有的大多数负极材料在放电/充电过程中遇到大的体积膨胀，导致较差的循环稳定性。因此，研究者通常利用碳修饰和纳米结构设计等策略来提高钠离子电池负极材料的性能。

前期不少工作都集中在Mo / Co硫化物/硒化物等材料上，取得了很好的效果。然而，其他成本更加低廉的材料也很值得研究，如Fe基，Ni基材料，它们的丰度更高，价格更低，也更加环境友好。因此，探索和开发低成本、高性能的钠离子电池负极材料具有重要意义。

在各种基于转化反应的铁基电极材料中，氮化铁（Fe ₂ N和Fe ₃ N）具有较低的分子量，理论比容量较高，且有良好的电子、离子电导，所以这类材料有希望在电化学反应过程中表现出较好的性能。前期研究表明，Fe ₂ N和Fe ₃ N作为负极材料能发挥出优异的储锂性能。然而，它们作为钠离子电池的负极材料仍很少被研究，报道的性能也有进一步提升的空间。

有鉴于此，南洋理工大学楼雄文教授课题组报道了一种基于由Fe ₃ N@C蛋黄-蛋壳纳米颗粒构成的项链状结构作为钠离子电池的负极材料。

图1. 示意图

首先，研究人员通过静电纺法将Fe ₂ O ₃ 嵌入聚丙烯腈（PAN）纤维中。然后，将Fe ₂ O ₃ @ PAN前驱体纤维在Ar/H ₂ 气氛中500℃烧结，在这个过程中Fe ₂ O ₃ 还原为Fe，同时PAN被碳化。最后，在500℃下进行热处理，在烧结环境中加入的尿素高温分解产生的氨气与Fe反应，生成项链状Fe ₃ N@C纤维。

图2. Fe ₃ N@C项链状结构合成工艺的示意图。

这种电极设计具有多个方面的优点：

1）每个Fe ₃ N@C反应单元都具有蛋黄-蛋壳结构，它可以缓解Fe ₃ N在钠离子脱/嵌过程中的体积变化，从而保证结构的完整性；

2）每个Fe ₃ N@C反应单元都由碳纤维串联在一起，且这些纤维结构互相编织在一起，形成了高效的三维导电网络;

3）该电极结构具有自支撑的特性，避免了使用粘合剂和导电碳，这有助于提高电池体系中活性材料的总体含量。

受益于上述结构特征，作为钠离子电池的负极材料时，Fe ₃ N@C纳米项链状电极显示了良好的循环稳定性和优异的倍率性能。目前的工作为钠离子电池提供了一种新型的负极材料。同时，研究人员也希望该工作能为各种储能器件的电极设计提供启发。

图3.材料表征