钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，成为大规模储能领域极具潜力的锂离子电池替代方案。然而，目前钠离子电池能量密度较低，主要受限于缺乏合适的高容量电极材料。
锡基材料具有高的理论容量（847 mAh g⁻¹）和较低的氧化还原电位，但其在充放电过程中面临高达520%的体积膨胀，导致颗粒粉化、界面不稳定和容量快速衰减。为应对这些挑战，研究人员发展了纳米结构设计、合金化改性、碳基复合等策略。
特别是构建多孔结构和碳包覆层可以有效缓解机械应力并稳定固体电解质界面膜。然而，如何精准设计能够同时承受巨大体积变化并保持电化学稳定性的结构仍是难题。
该研究通过计算模拟指导，设计了类似石榴的分级核壳结构，结合CuSn合金化和N,O掺杂碳包覆，为开发长寿命合金基负极提供了新思路。
近日，太原理工大学郭美卿、王晓君、上海理工大学柏中朝在Advanced Functional Materials发表了题为"A Robust Pomegranate-Like CuSn@N,O-C Anode for Superior Sodium-Ion Storage"的研究论文，Bingjia Yin为论文第一作者，郭美卿、王晓君、柏中朝为论文通讯作者。
1. 基于有限元应力模拟，设计出比传统多孔结构应力降低29%的石榴状核壳结构 2. 构建N,O共掺杂碳包覆CuSn合金的 pomegranate-like CuSn@NOC 分级结构 3. 形成Sn-O-C共价键界面，增强结构稳定性并降低钠离子扩散能垒至1.01 eV 4. 负极在500 mA g⁻¹下循环800次后容量保持656.79 mAh g⁻¹，展现优异长循环稳定性 5. 与Na₃V₂(PO₄)₃组装全电池，能量密度达291.7 Wh kg⁻¹，循环250次后容量保持87.35%
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锡金属作为钠离子电池负极具有高的理论容量，但循环过程中严重的机械降解导致其循环稳定性差，限制了实际应用。通过应力分布模拟指导，研究团队确定了石榴状结构为最优构型，其最大von Mises应力比传统多孔结构低约29%。
基于此设计，研究人员合成了一种多孔CuSn合金核被连续的N,O共掺杂碳壳包覆的复合材料（CuSn@NOC）。该材料通过水热合成、多巴胺自聚合和缺氧退火制备。
得益于这种分级设计，该负极在500 mA g⁻¹下循环800次后仍保持656.79 mAh g⁻¹的高可逆容量。
与Na₃V₂(PO₄)₃正极配对的全电池在功率密度1100和4400 W kg⁻¹时，能量密度分别达到291.7和216.2 Wh kg⁻¹。机理分析表明，多孔核有效耗散应力，而N掺杂碳壳确保结构完整性并抑制颗粒粉化。
与电化学稳定的Cu₆Sn₅相协同作用，赋予材料优异的机械和电化学耐久性，为设计长寿命合金基钠离子电池负极提供了可靠策略。
📊 图文解读
图1 | 石榴状结构与多孔结构的应力分布模型及保护机制示意图
通过COMSOL多物理场模拟展示了石榴状结构和传统多孔结构在放电过程中的应力分布云图和平均应力变化曲线。
模拟结果显示，石榴状结构的最大von Mises应力为17.76 MPa，比多孔结构（26.39 MPa）降低29%，证明该结构能有效重新分配和吸收机械应变，抑制裂纹扩展，保持循环过程中的结构完整性。
图2 | 石榴状CuSn@NOC的合成示意图及形貌表征
展示了通过水热合成、多巴胺包覆和热处理制备CuSn@NOC的过程。SEM和TEM图像显示材料呈单分散微球状（直径500-600 nm），具有明确的核壳结构，N,O共掺杂碳壳厚度约5-10 nm。
HRTEM和SAED证实Cu₆Sn₅相的存在，EDS mapping显示Cu、Sn、C、N元素均匀分布，证实成功构建了石榴状分级结构。
图3 | 石榴状CuSn@NOC的结构和成分表征
XRD分析证实材料主要物相为Cu₆Sn₅，含有少量其他金属间化合物。Raman光谱显示碳壳具有高度的结构有序性（ID/IG=0.763）。
BET分析表明材料具有IV型等温线和H1型滞后环，介孔孔径集中在4 nm左右，孔体积0.20 cm³ g⁻¹。XPS光谱证实N,O成功掺杂到碳壳中，并形成Sn-O-C键，有助于增强界面稳定性和电子导电性。
图4 | DFT计算揭示Na⁺吸附和扩散机制
通过密度泛函理论计算比较了不同碳包覆模型的Na⁺吸附能、电荷密度分布和扩散能垒。结果显示CuSn@NOC具有最强的Na⁺吸附能（-3.76 eV），显著优于未掺杂和单一掺杂模型。
电荷密度差分析显示Na⁺向邻近Sn、Cu和C原子发生明显的电子重分布。CuSn@NOC的Na⁺扩散能垒最低（1.01 eV），有利于快速离子传输。
图5 | 电化学性能测试
CV曲线显示在1.14 V处形成稳定的SEI膜，后续循环高度可逆。充放电曲线显示稳定的电压平台。该负极在0.1-4 A g⁻¹电流密度下分别提供773、643、502、348和202 mAh g⁻¹的可逆容量。
在500 mA g⁻¹下循环800次后容量保持656.79 mAh g⁻¹。EIS和GITT测试证实其具有较低的电荷转移阻力和较高的Na⁺扩散系数。赝电容贡献分析显示表面控制过程占比显著。
图6 | 原位表征和循环后结构分析
原位XRD显示在放电过程中Cu₆Sn₅相发生可逆的晶格膨胀和相变，充电后衍射峰恢复，证明优异的结构可逆性。SEM显示200次循环后颗粒保持原始形貌。TEM显示循环后形成稳定的SEI膜。XPS分析循环后电极表面化学状态。DRT分析揭示循环过程中界面动力学的演变，证明多孔核有效耗散应力，碳壳抑制颗粒粉化。
图7 | 全电池性能测试
展示了以CuSn@NOC为负极、Na₃V₂(PO₄)₃为正极组装的全电池示意图和性能。全电池在0.5 A g⁻¹下初始充放电容量为325.7/322.1 mAh g⁻¹，初始库仑效率约98.9%。
循环250次后容量保持285.05 mAh g⁻¹，容量保持率87.35%。在不同功率密度下（1100-4400 W kg⁻¹），全电池能量密度分别为291.7-216.2 Wh kg⁻¹，展现出优异的实用化潜力。
📝 总结
总之，石榴状CuSn@NOC复合材料展现出多项结构优势，使其在钠离子存储中表现优异：（i）导电且具缓冲作用的碳基质：N掺杂碳壳构建连续导电网络，增强电导率并引入赝电容贡献，同时作为缓冲层适应体积变化并防止循环过程中的结构降解；
（ii）超小合金纳米晶：碳壳内的超细合金纳米晶显著增加活性位点暴露，缓解局部应变，缩短离子扩散路径，从而提升电化学反应活性；
（iii）共价键合界面：合金/碳界面处形成的Sn-O-C和Cu-O-C共价键促进电子转移，锚定界面防止团聚，确保结构完整性和长循环稳定性。这些特性的协同作用表明，石榴状CuSn@NOC电极作为高性能钠离子电池负极具有巨大应用前景。
A Robust Pomegranate-Like CuSn@N,O-C Anode for Superior Sodium-Ion Storage,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.75526
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