DOI: 10.1016/j.jcis.2020.12.086
Sn@石墨烯復合材料作為鋰離子電池負極材料因其固有的高容量而引起了人們的廣泛關注。另一方面，高原子比（Li4.4Sn）導致電極在循環過程中粉化。因此，通過設計材料的結構來抑制粉化是提高循環性能的關鍵。靜電紡絲、軟/硬納米模板策略、表面改性、多步化學氣相沉積（CVD）等納米技術的應用在這方面顯示出巨大的優勢。這些策略通常用于在石墨烯基體中均勻分散Sn納米材料或在材料內部形成空隙以獲得機械緩沖效果。然而，這些過程能耗巨大，操作復雜。
為了解決上述問題，本報告提出了采用自下而上的策略以制備復合材料的新納米技術（有機分子限制反應（OMCR））。通過低能納米乳化和光聚合法合成了3D有機納米骨架作為石墨烯前體。在水熱反應中原位形成了SnO2納米粒子@3D有機納米骨架作為復合材料的前驅體。在煅燒氧化還原過程后，通過3D有機納米骨架的原位圖案化和限制效應，將具有納米空隙（約100nm，均勻大小）的Sn納米粒子均勻分散在石墨烯納米片的二維層狀基質（2DLMG）中。電化學測試結果表明，復合材料的粉化和裂紋得到了有效的抑制。Sn納米粒子@2DLMG不僅在200次循環期間提供了高循環性能，而且還在低負載Sn（19.58wt％）下首次實現了高比容量（539 mAh g-1）。
圖1.通過有機分子限制反應合成Sn納米粒子@2DLMG復合材料的整個過程。
圖2.由XRD圖譜表征從SnO2納米粒子@3D有機納米骨架到Sn納米粒子@2DLMG的晶體結構演變。
圖3.通過SEM表征Sn納米粒子@2DLMG復合材料的形貌：（A，B，C）平面圖和（D）橫截面。
圖4.Sn納米粒子@2DLMG復合材料的形貌。（A）低倍率HAADF-STEM圖像，（B-D）高倍率STEM，（E，F）分別為Sn和C的元素EDS映射，（G）高倍率STEM圖像，（H）對應的SAED圖譜。
圖5.（A）分別為Sn納米粒子@2DLMG的二次電子-（SE-），（B）ABF-和（C）HAADF-STEM圖像。
圖6.在單個Sn納米粒子@2DLMG中，Sn和C的元素EDS映射。
圖7.Sn納米粒子@2DLMG納米復合材料的電化學性能。（A）以0.1 mV s-1的掃描速率獲取的循環伏安圖；（B）在100 mA g-1和200 mA g-1下測試的循環性能；（C）在100 mA g-1的電流密度下測試的恒電流放電/充電曲線；（D）在100 mA g-1、200 mA g-1、500 mA g-1、1 A g-1和5 A g-1下測試的倍率性能和循環性能。
圖8.（A）在0.1-1 mV s-1的不同掃描速率下的CV曲線，（B）在不同掃描速率下電容和擴散控制電荷的貢獻率，（C）在0.3 mV s-1下總電流和電容性電流的分離，（D）在100 mAh g-1下進行循環和第二次循環之前，使用Sn納米粒子@2DLMG的電池的EIS光譜。
圖9.Sn/碳復合材料的電化學性能比較。
圖10.在第20次循環期間，使用LiFePO4作為陰極和Sn納米粒子@2DLMG的全電池的充電/放電曲線。
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