Strain Retarding in Multilayered Hierarchical Sn‐Doped Sb Nanoarray for Durable Sodium Storage

材料科学 电化学 插层(化学) 纳米压痕 化学工程 兴奋剂 电极 碳纤维 复合材料 复合数 冶金 无机化学 光电子学 化学 物理化学 工程类
作者
Xinyan Li,Xin Zhang,Xiaobin Niu,Jing Zhang,Rui Wu,Jun Song Chen,Yan Yu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (33) 被引量:31
标识
DOI:10.1002/adfm.202300914
摘要

Abstract Antimony (Sb) is a potential electrode material for sodium (Na) storage due to its high theoretical capacity of 660 mAh g −1 . Yet, the alloy/dealloy reaction between Na and Sb induces detrimental structural strain that inevitably leads to electrode failure, further resulting in deteriorated rate performance and cycle life. Herein, inspired by the multilayered structure of the pine trees, 3D hierarchical multilayered tin (Sn)‐doped Sb nanoarray coated with a thin carbon (C) layer (Sb(Sn)@C) is developed. Density functional theory calculation results suggest that Sb(Sn)@C offers better kinetic properties for Na diffusion, and lower volume expansion upon sodium intercalation as compared to the counterparts without Sn dopant or carbon coating. Moreover, the simulation results based on finite element analysis suggest that the unique hierarchical multilayered construction not only provides highly efficient Na + utilization, but also builds a uniform von Mises stress distribution that effectively confines structural strain induced during Na + insertion. This is also verified by nanoindentation measurement that Sb(Sn)@C shows higher elastic modulus and hardness than Sb(Sn) and pure Sb, indicating best mechanical stability. As expected, Sb(Sn)@C achieves excellent electrochemical capability for sodium storage with high reversible capacity, enhanced cyclability, and remarkable rate performance.
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