受微电子器件的尺寸以及电动汽车的空间限制，具有高体积能量密度的锂离子电池的需求越来越大。然而，当前的锂离子电池普遍采用具有低振实密度和重量能量密度的石墨基负极，从而导致较差的体积性能指标。近日，加州大学卢云峰，上海电力大学彭怡婷等人通过在机械坚固的石墨烯管中封装金属锡纳米颗粒，制备出具有高体积和重量容量，高倍率性能和长循环寿命的锡负极材料。与市售负极材料LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂配对，全电池的重量和体积能量密度分别为590 W h Kg^-1和1,252 W h L^-1，是基于石墨负极电池的两倍。

文章要点：

1）使用氧化镁（MgO）作为模板和催化剂，使用乙腈作为前体，通过化学气相沉积（CVD）在MgO纳米线周围生长了掺杂氮的石墨烯。然后，将形成的石墨烯涂层纳米线涂覆一层MgO薄层，并在其上使用甲烷作为前体生长石墨烯。去掉模板后形成了由内部亲水性石墨烯管（掺杂氮）和外部疏水性石墨烯管（未掺杂）组成的双石墨烯管（DGT）。将DGT分散在K₂SnO₃溶液中使水性前体渗入亲水管中，通过水热反应使内管中的SnO₂纳米颗粒生长。最后，还原SnO₂纳米颗粒从而形成封装在双石墨烯管中的Sn纳米颗粒（Sn/DGT）。

DGT和Sn/DGT的形态和结构图

2）由于Sn纳米粒子被石墨烯管限制，因此在锂化/脱锂循环过程中不会发生很大变化，从而确保了出色的倍率性能和较长的循环寿命。同时，由于双石墨烯管的双亲性质，电极中的游离Sn纳米颗粒的数量被降至最低，避免了Sn纳米颗粒从石墨烯管脱离后容量迅速衰减。

3）为了验证将Sn/DGT用作高性能负极材料的可行性，使用市售正极材料锂镍钴锰氧化物（NCM622）组装了整个电池。以及使用石墨负极和NCM622正极组装了对照电池。实验结果表明，NCM622//Sn/DGT电池具有出色的循环性能，其重量能量密度为590 W h Kg^-1，在200个循环中的容量保持率为93％（基于电极材料的总质量），这是明显高于NCM622//石墨电池的性能。同时，经过200次循环后，NCM622//Sn/DGT电池的体积能量密度仍比NCM622//石墨电池（602 W h L^-1）高约1.8倍。如此高的重量和体积能量密度以及较长的循环寿命的全电池性能，为在微电子和电动汽车等领域应用高性能LIB开辟了一条新途径。

图 将Sn/DGT用作商用电池的高性能负极的可行性

简而言之，这项工作为高能量密度锂离子电池的广泛应用提供了一条有效途径。

Mo, R., Tan, X., Li, F. et al. Tin-graphene tubes as anodes for lithium-ion batteries with high volumetric and gravimetric energy densities. Nat Commun 11, 1374 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-14859-z

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14859-z