SnO2-C復合負極材料的維度設計用于鋰、鈉離子電池

魏潤宏，徐汝輝，胡學軍，張克宇，張業男，梁風，3，姚耀春，3

（1 昆明理工大學真空冶金國家工程實驗室，云南昆明650093；2 昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明6500513 省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南昆明650093；）

鋰離子電池雖已廣泛應用在新能源汽車、風光發電大型儲能設備和便攜式可移動電子設備上，但這些設備仍然對離子電池的比能量密度、循環壽命、功率密度提出了更高的要求。目前大規模商業化的傳統石墨負極材料理論容量較低（372mA·h/g）[1]，已很難滿足市場特別是需要高總能量密度的電動汽車儲能的需求，為了解決這方面的問題，高理論容量的金屬氧化物作為鋰離子電池（lithium-ion battery，LIB）、鈉離子電池（sodium-ion battery，SIB）的負極材料而被廣泛研究。其中SnO2由于成本低廉、儲量豐富、理論容量較高（82mA·h/g）[2]，更是候選者中的首選，但SnO2本身作為半導體材料[3]，自身導電性較差，同時在充放電過程中形成錫鋰、錫鈉合金時，體積膨脹產生的較大內應力使得SnO2電極結構發生坍塌、粉化、脫落、團聚，從而使得電接觸性變差，導致循環穩定性惡化，可逆容量降低[4]。而碳具有優異的柔韌性、導電性、導熱性、較高的機械強度和良好的化學穩定性。將碳引入SnO2負極材料不僅可以促進電子和離子的傳輸，還有助于在循環過程中保持材料和電極的穩定性和完整性，從而提高了材料的循環性能、倍率性能、庫侖效率等電化學性能[1]。因此SnO2-C復合負極材料已被廣泛用于下一代鋰、鈉離子電池的開發。

本文介紹了SnO2存儲鋰、鈉的機理和存在的問題以及SnO2-C 復合的概念和優勢，并對SnO2-C復合材料的尺寸設計最新代表性進展進行了分類，闡述了構建原則和設計技巧，最后討論了該領域未來的發展方向和前景，以及先進儲能材料的合理設計和可擴展構造。

1 SnO2儲存鋰、鈉機理

SnO2材料是n 型半導體材料，具有正四面體金紅石型結構（圖1）， 晶格常數為a=b=0.4737nm，c=0.3186nm，α=β=γ=90℃，每個晶胞由2個Sn原子和4個O原子組成，單胞中Sn原子占據四方體頂點和體心位置，O原子形成六方密堆結[2]。

儲鋰[4-9]和鈉[5-6,10-13]機理的反應式分別見式(1)～式(4)。

圖1 金紅石結構SnO2的單晶胞示意圖［2-3］

首次嵌鋰，SnO2被還原成金屬Sn，同時生成基質非晶態Li2O，較大的首次不可逆容量主要是因為這一步不可逆造成的，但當SnO2顆粒是納米級別或表面包覆導電劑時，式(1)是部分可逆的。SnO2材料進一步嵌鋰的機制是Li 在較低的電位下，嵌入式(1)的反應產物金屬Sn中生成Li-Sn合金LixSn，這一步嵌鋰過程是可逆的[8]。在隨后的脫鋰過程中，發生的是逆反應，Li+和Sn發生去合金化反應，然后該反應反復進行[14]。式(3)為SnO2的首次嵌鈉過程，SnO2被還原成金屬Sn，同時生成Na2O，式(4)為Na 和Sn 生成合金NazSn，同時Sn 嵌鈉過程中有明顯的體積膨脹[11]。當納米級的SnO2和導電劑復合時，嵌鋰理論容量最大為1494mA·h/g，單質Sn 在嵌鋰過程中的體積膨脹率為259%，SO2的嵌鈉容量為1378mA·h/g，Sn 嵌鈉過程中的體積膨脹率為420%。嚴重的體積膨脹會產生較大的內應力，使負極材料顆粒逐漸粉化并且團聚，影響了SnO2負極材料的循環穩定，導致電池的比容量迅速衰減[15]。除此之外，目前SnO2的商業化進程還受到另外兩個問題的阻礙：①在重復的體積膨脹/收縮過程中，會持續形成新的固體電解質（solid electrolyte interphase，SEI）膜[4]，SEI 膜的絕緣特性降低了活性物質與導電添加劑或集流器之間的電接觸，這不僅造成較大的不可逆容量，同時還延長了鋰、鈉離子的擴散距離，增加了材料的阻抗；②納米Sn 顆粒在循環過程中團聚成較大且無活性的Sn團簇。

針對SnO2所面臨的這些問題，以合理、可控的方式將納米尺寸的SnO2和碳結合起來，構建出具有明確結構、特定界面的SnO2-C 復合材料，已被證明是增強電化學性能的有效解決方式。從維度的角度出發，不同復合方式的SnO2-C 材料中，設計X 維（XD）的SnO2能優化鋰、鈉離子的擴散和運輸路徑。具體而言，零維（0D）SnO2的納米結構自身能很好地緩解體積膨脹；一維（1D）SnO2除了能緩解體積膨脹外，還能提供一個通道網絡，使電子和鋰離子得到有效地傳輸；二維（2D）SnO2在垂直于SnO2納米片的方向上，體積變化較小，超薄的SnO2納米片提供了一個極短的鋰離子擴散路徑；三維（3D）SnO2在振實密度方面明顯優于低維，而振實密度的增加能進一步促進體積容量的提升。X維碳不僅能增強電子傳輸，經過尺寸復合后還能用于緩沖SnO2的體積變化。0D 碳能對納米SnO2進行碳包覆，起到緩沖體積膨脹、增強電導率的作用；1D 碳（如碳納米管CNT）能夠作為O 有效的機械載體，在緩沖SnO2體積膨脹的同時又能提供一維電子傳導通路，達到建立一個堅固導電網絡的目的[6]；2D碳（如石墨烯）除了能作為SnO2體積膨脹的緩沖載體外，其本身還擁有大量誘使SnO2原位成核生長的官能團，而這種誘導方式合成后的SnO2納米顆粒呈現出良好的均勻分散狀態，能有效地抑制SnO2納米顆粒的聚集和堆積[7]；3D 導電碳材料的多孔結構能促進電解質的滲透，大比表面積能增大材料和電解質的接觸，有效地縮短鋰離子的擴散路徑和加快電子的傳輸[11]，達到增強復合材料導電性的目的。最后，合成的SnO2-C復合結構表現出良好的電化學儲鋰、鈉性能，將SnO2-C 復合材料按照SnO2尺寸變化進行索引，從而突出所設計的尺寸設計和由此產生的協同效應，以及尺寸復合潛力。

2 鋰離子電池中SnO2-C 復合負極材料維度設計

尺寸納米化是解決SnO2體積膨脹效應最有效的方式，常見結構有0D（SnO2納米顆粒）、1D（SnO2納米線/管）和2D（SnO2膜/片）。

2.1 0D SnO2

0D SnO2納米顆粒形狀主要有球狀、立方體狀、碗狀等[15-18]。這些具有特殊形狀的零維納米顆粒因為擁有較大的比表面積，利于材料與集流體、電解液的充分接觸，所以能縮短電子和離子的擴散路徑，提高倍率性能。然而，SnO2納米粒子在充放電過程中易于團聚，同時因為自身較大的比表面積，使得納米粒子與電解液發生更多的接觸，所以顆粒表面會形成更多的SEI膜，導致復合材料可逆容量降低和循環穩定性變差。而將SnO2納米顆粒與不同尺寸、不同維度的碳材料進行復合是強有力的解決方式，此外，碳材料還能顯著地提高電極的導電性和緩沖錫鋰合金的體積膨脹。

2.1.1 0D/0D復合

Huang 等[19]通過濕化學法結合氣相處理制備了Fe3C改性的SnO2@void@C復合結構，合成示意圖如圖2(a)所示。Fe3C改性和碳保護殼都可以改善電導率，其中內部空隙可以容納SnO2的體積膨脹/收縮，而外部碳保護殼可以阻礙活性材料的聚集。這樣的結構改善了首次庫侖效率，呈現出較高的可逆電化學容量和長的循環壽命。Liang 等[16]通過模板沉積的方法設計并合成了一種類似碗狀結構的SnO2-C中空結構顆粒。所制備的具有共形碳載體的碗狀SnO2-C 中空顆粒不僅在高容量、循環性和倍率方面表現出優異性能，振實密度還增加約30%。這主要歸功于以下3 點：①首先碳支撐弓形空心結構。繼承了傳統碳涂層空心結構的優點；②弓形特征的粒子更好地增加了填料密度，同時改善了顆粒互連，有效地利用好空心粒子的空隙，從而提高了電極的體積能量/功率密度；③與球形粒子相比，這類弓形粒子與相鄰粒子的接觸面積更大，從而增強了電荷傳輸能力，并改善了結構。

2.1.2 0D/1D復合

SnO2納米顆粒除了自身碳包覆，運用0D/1D的復合方式引入了一維碳材料來制備復合材料，能極大地改善了復合結構的電化學性能，例如SnO2-CNT、SnO2-碳纖維。一維碳材料能提供充足的空隙空間，緩沖SnO2材料的體積變化，此外有效的機械支撐作用、豐富的活性位點、一維電子傳導通路都能極大地提高整個電極的導電性，從而達到顯著提高循環性能的目的。Sun等[20]制備了Sn-SnO2@CNT納米復合材料，合成流程如圖2(b)所示，其中Sn-SnO2復合納米團簇通過簡便的方法均勻地嵌入CNT 網絡中，這為鋰離子的存儲提供了豐富的活性位點，從而實現了高可逆容量和極好的倍率。Zhang 等[23]通過真空浸漬的方法成功地把超細SnO2納米顆粒浸漬在多孔碳納米管（pCNT）的內部，合成了SnO2@pCNT 復合材料。pCNT 不僅能緩沖體積膨脹，還能促進離子和電子的快速傳輸。此外，CNT壁上的介孔也能加速電解質的擴散。復合材料在電流密度0.1A/g下循環100次，比容量為968mA·h/g，即使在1A/g的高電流密度下，500次循環后容量仍然高達890mA·h/g。

圖2 0D SnO2和X維碳材料復合結構的合成示意圖［19-22］

2.1.3 0D/2D復合

具有許多優良物理和化學性質的2D 碳納米材料被廣泛用作SnO2納米顆粒的導電載體，其中氧化石墨烯（GO）是一種具有大比表面積（2630 m2/g）、高電子遷移率[2.5×105cm2/(V·s)]和強機械剛度（1TPa）的理想碳質材料[24]。由于尺寸效應和界面相互作用，SnO2/石墨烯納米復合材料表現出優異的性能。首先由于石墨烯表面上的羧基和羥基等官能團的存在，石墨烯可以誘導SnO2納米顆粒成核，晶體生長和成型，使SnO2在石墨烯表面呈現出均勻分散和可控狀態，能有效地抑制SnO2納米顆粒的聚集和堆積。其次，SnO2/石墨烯復合材料形成的電子傳導網絡能縮短鋰離子的遷移路徑[25]。表1 主要匯總了不同0D/2D 復合材料的電化學性能。

Zhan 等[21]通過浸涂法在泡沫Ni 上制備出了SnO2/石墨烯復合結構，如圖2(c)所示，復合材料在電流密度1A/g 下循環500 次后，容量保持在757mA·h/g。同時復合材料中Ni泡沫的引入在一定程度上提供了更多的空間來容納巨大的體積變化，而石墨烯阻礙了SnO2納米粒子團聚，提高了材料的電導率和電化學可逆性。Sahoo等[7]通過一鍋法合成了石墨烯摻硼的SnO2/BG復合結構。由于硼的摻入，石墨烯表面會產生褶皺。一方面，可以為納米顆粒提供錨定位點，使SnO2均勻分散在石墨烯二維表面上。另一方面，還能提供多孔結構，增強鋰離子和電子的傳遞速率。

2.1.4 0D/3D復合

三維多孔碳材料因具有較高的比表面積、較窄的孔徑分布、相互連接的孔結構以及柔性骨架的特征[22]，引起了研究者們的注意。在各種碳基質中，3D 導電碳材料的多孔結構能促進電解質的滲透，達到增強電解質和電極之間反應的效果，同時還能緩沖SnO2的體積膨脹[41-42]。由于中空通道以及非常高的比表面積，多孔碳族材料具有許多獨特的特征，如高電導率、短鋰離子擴散路徑和高電子傳輸速率[22,43-45]。

Saikia等[22]選取有序介孔碳作為碳材料，如圖2(d)所示，合成的SnO2@CMK-8（有序介孔碳）復合材料在0.78A/g 的電流密度下初始放電容量達到了2485mA·h/g。Chang 等[43]采用微波輔助水熱法制備了含有超細SnO2納米粒子和介孔碳的SnO2/OMCS納米復合材料，其中復合材料提供了足夠多的活性位點，促進離子和電子的傳輸速率，同時核心的介孔碳具有良好的導電性和穩定的機械性能，這些優勢使材料在3.5A/g 的超高電流密度下即使循環400次，依然有400mA·h/g 的可逆容量。Tan 等[46]在表面錫箔上原位形成2D SnOx（Sn/SnO/SnO2）和rGO復合材料前體。經過超聲波處理，噴霧干燥和前體熱處理后，2D前體轉化為收縮的3D藍莓形SnO2/rGO復合材料，其在0.5A/g的高電流密度下循環150次仍有708mA·h/g的可逆容量。

表1 0D/2D復合材料的電化學性能總結

2.2 1D SnO2

在1D SnO2/G 納米合材料中，SnO2的形貌包括納米棒、納米纖維、納米線和納米管。制備方法主要包括原位水熱/溶劑熱、靜電紡絲法和電子束蒸餾法等[25]。與SnO2納米顆粒相比，具有連續1D 電子通路的1D SnO2負極材料用于有效的電荷傳輸已經引起了廣泛的研究關注。

2.2.1 SnO2納米線

Wang 等[47]先在纖維素納米纖維的表面上沉積氧化錫凝膠膜，碳化后再用Ag納米顆粒（Ag-NP）修飾，合成了凝膠Ag-NP/SnO2/C復合材料，如圖3(a)所示。由于碳纖維支架緩沖了SnO2的體積效應，Ag納米粒子增強了電導率，以及碳和SnO2的協同效應。復合材料在0.1A/g的電流密度循環后120次后，穩定的比容量為690mA·h/g。Liu等[51]通過同軸靜電紡絲技術合成了自支撐無黏結劑核殼N-C@SnO2復合材料。這種結構不僅可以加速離子傳輸和提供足夠的緩沖空間，而且還具有防止壓縮和彎曲的高度靈活性，在390.5mA/g 下循環100 次容量保持在729mA·h/g。

2.2.2 SnO2納米棒

1D SnO2納米棒趨于團聚，這在很大程度上限制了其能力，而2D 石墨烯的引入可以使SnO2納米棒均勻且緊密地錨定在2D 石墨烯上，達到既促進離子/電子的快速擴散，又能緩沖SnO2體積膨脹效應的目的。早期Jiang 等[52]設計合成的SnO2納米棒/石墨烯復合材料便有著較好的電化學性能。近來，Wang 等[53]合成了具有很高初始放電容量的SnO2納米棒/石墨烯復合材料。

2.2.3 SnO2納米管

Tian 等[54]將CNT 封裝到SnO2@C 納米管中合成了CNT@void@SnO2@C 復合結構。這種結構囊括了碳涂層、CNT和中空結構的所有優點。首先除了納米結構SnO2的優點外，碳涂層不僅可以消納體積的膨脹，還可以防止SnO2的剝落。在長時間循環過程中，確保電極完整性的同時，也提高了整體電極的電子導電性。此外，CNT的中空通道加速了電子和離子傳輸速率，使復合材料表現出更好的鋰儲存和循環性能。該復合材料在循環350次后仍保持702.5mA·h/g的高可逆容量。Wu等[55]通過靜電自組裝法合成了石墨烯包裹SnO2納米管（SnO2-NTs/G）的復合結構，在0.1A/g電流密度下循環200次放電容量為422.4mA·h/g。

圖3 多維SnO2和多維碳材料復合結構的合成示意圖［47-50］

2.3 2D SnO2

具有2D 形貌的負極材料的制備被認為是制備高可逆電極材料的有效途徑，因為它們的大比表面積能提供大量活性位點，可以縮短電子和離子擴散距離以及加速金屬擴散效率。

Jia 等[56]通過在碳布上生長合成SnO2納米片的方式，制作合成了多孔的SnO2/C 復合材料，材料突出的優勢就是提供了超大的比表面積，大的比表面積能提供很多的反應位點，使反應更加均勻。制備的多孔SnO2/C 納米片陣列在電流密度為0.1A/g下，可以提供1378.6mA·h/g 的大可逆比容量以及約74.3%的初始庫侖效率。Tian 等[48]采用水熱法制造的SnO2納米片和石墨烯復合材料如圖3(b)所示，在0.5A/g 電流密度下，100 次循環后，容量為817.2mA·h/g。

2.4 3D微米SnO2的尺寸設計

將納米SnO2與不同尺寸和結構的碳材料復合是解決SnO2基負極問題的最有效的方法之一，但應用到實際生產中仍有許多問題需要解決。第一，減小SnO2的尺寸反而會引入更多空隙空間，產生低振實密度并進一步導致低體積容量。第二，納米SnO2材料的大比表面積更易引起界面副反應，因此導致低庫侖效率。第三，納米SnO2的合成對設備要求較高，流程較復雜，商業化進程還需要很長的路要走。對于以上的難題，采用直接合成微米級SnO2的方法基本可以解決。

Liu 等[49]通過水熱法合成了花狀SnO2/石墨烯復合材料，如圖3(c)所示，其中花狀SnO2結構的尺寸約為0.8μm。電化學性能測試表明，在電流密度為0.05A/g 下，花狀石墨烯復合材料的首次放電容量和電荷容量分別為1588mA·h/g和1240mA·h/g。在0.5A/g 下循環50 次，容量保持在730mA·h/g。Kim 等[57]受植物石蓮花的啟發，合成了石蓮花狀E-SnO2@C 復合負極材料，花狀葉片的分級和納米多孔結構有效地增加了復合材料的活性比表面積，允許更多的Li 離子存儲在空間中，從而促進了鋰離子的擴散速率，因此E-SnO2@C負極表現出顯著的電化學性能，擁有長循環次數（＞800 次循環）和穩定的高倍率能力（高達10A/g）。Choi等[50]合成了SnO2-CoO-C蛋黃-殼微球，如圖3(d)所示，微球在3A/g 的電流密度下循環1000 次放電容量為775mAh/g。高導電性的瀝青衍生碳，蛋殼結構，金屬Co 三者的協同效應，使微球具有優異的鋰離子儲存性能。

3 鈉離子電池中SnO2-C 復合負極材料維度設計

3.1 0D SnO2

相較于SnO2在鋰離子電池中的高容量表現，SnO2在鈉離子電池中的應用研究并不多，這主要局限于低放電容量和低倍率性能的緣故。同時，SnO2在充放電過程中的體積膨脹和其表面持續形成SEI膜的問題，在鈉離子電池中尤為嚴重，為了克服相應問題，引入碳材料，已被證明是一種顯著提高復合材料電導率、改善電化學性能的方法。一維碳材料通常具有柔性結構，可以有效地緩解SnO2體積膨脹，同時1D 導電路徑可以大大提高了負極的電導率；2D 碳納米結構具有大的比表面積、優異的導電性和巨大的緩沖空間容納能力；3D 多孔碳結構既促使電解質和復合材料緊密接觸，還可以提供足夠的空間來緩解體積膨脹，進一步提高復合材料的循環穩定性。

3.1.1 0D/0D復合

Ao 等[5]通過模板法合成了蜂窩狀SnO2@C 復合材料，該蜂窩狀復合材料因為其空腔的特性而具有出色的儲鈉能力，同時碳增加了電導率又緩解了SnO2的體積膨脹，在0.1A/g 電流密度下，100 次循環后，容量為251.5mA·h/g。Lu 等[58]合成了仙人掌狀的SnO2@C復合材料，在0.02A/g電流密度下，50次循環后，容量為500mA·h/g。

3.1.2 0D/1D復合

Han 等[6]通過熔融滲透法合成了SnO2@hCNT 復合材料，多孔碳納米管不但能作為電子和離子快速進出的通道，還能緩沖SnO2的體積膨脹，在0.1A/g電流密度下，100 次循環后容量為223mA·h/g。Ma等[59]合成了SnO2/rGO/CNT復合材料，SnO2/rGO/CNT和SnO2/rGO 分別在第11 個周期提供150mA·h/g 和78mA·h/g 的可逆容量，其中CNT 不僅阻礙了SnO2在石墨烯上的團聚，還能作為連接分散SnO2/rGO團簇的導電橋，從而提高了材料的循環穩定性和速率性能。

3.1.3 0D/2D復合

Hu 等[11]合成了雙殼Co3Sn2/SnO2@C@GN 復合材料，這種獨特的層次結構具有以下幾個明顯的優點：①雙殼微結構巨大的內部空隙和大量的介孔能縮短Na+和電子的傳輸路徑，同時增強結構穩定性；②無定形碳涂層和石墨烯的協同作用提高了材料的電導率和機械穩定性；③雙殼Co3Sn2/SnO2異質結構是通過化學鍵結合而不是簡單的物理堆疊，大大提高了電極材料的整體結構穩定性。因為該材料具有更薄的外殼、更強的柔韌性，因此有效地緩沖了SnO2的體積膨脹，當用作鈉離子電池（SIB）的陽極材料時，在0.05A/g 電流密度下，150 次循環后，容量保持為371mA·h/g。

3.1.4 0D/3D復合

Wang 等[60]在以熱法碳泡沫作為一個3D 導電網絡和緩沖骨架的基礎上合成Mo-SnO2@C復合材料，其中3D 碳泡沫能提高材料的倍率性能和循環穩定性，在0.1A/g 電流密度下，100 次循環后，容量為575.8mA·h/g。Kong等[42]通過溶膠-凝膠輔助噴霧干燥法合成了具有多孔壁的SnO2/rGO復合材料。rGO可提供高效的電子傳輸路徑，多孔結構能促進電解質的滲透并增強電解質與電極之間的反應。所制備的3D 多孔空心SnO2/rGO 復合材料在0.2A/g 電流密度下，1500次循環后，容量為204mA·h/g。

3.2 多維

Wang等[53]把合成的1D超細SnO2納米棒均勻緊密地錨定在3D 石墨烯納米片氣凝膠表面，制備合成了SnO2/GA 復合材料，具有高比表面積的3D 網絡結構以及均勻分布的SnO2納米棒使制備的復合材料具有良好的電化學鈉存儲性能，在0.05A/g 電流密度下，100次循環后，容量為232mA·h/g。Zhu等[61]將SnO2納米棒固在石墨烯片上合成了SnO2納米棒@GO復合材料，由于GO表面豐富含氧基團的存在，納米棒一端固定并均勻分布在石墨烯上，特殊的組合方式避免了SnO2納米棒的團聚并適應其體積變化，在0.02A/g 電流密度下，100 次循環后，容量約為200mA·h/g。

Chang 等[62]通過水熱法制備出2D SnO2納米片，再通過石墨烯負載SnO2納米片制得SnO2@rGO復合材料，其中超薄納米片狀結構能有效地加速轉化/合金化反應，SnO2納米片能顯著地增強嵌脫鈉反應，在0.2A/g 電流密度下，150 次循環后，容量為230mA·h/g。Liu等[63]利用原子沉積法和水熱法在碳布上合成了C/SnO2/C復合材料，由于碳布中的碳纖維柔軟多孔，有效地緩沖了SnO2的體積膨脹，顯著等提高了倍率能力，在10A/g電流密度下倍率達到342mA·h/g。

4 前景和挑戰

基于多種尺寸結合策略，已經從納米SnO2、微米SnO2中開發了廣泛的SnO2-C 復合材料，在容量、倍率性能、庫侖效率、循環壽命等方面都顯著地改善了鋰、鈉儲存性能，但仍有許多關鍵問題需要解決。

第一，盡管使用不同尺寸大小、不同復合方式的SnO2-C復合材料能極大地改善復合物的導電性，但由于SEI膜的形成，負極在初始循環中會損失大量的可逆容量，這會極大地影響材料的循環性能、倍率性能和庫侖效率，甚至安全性能。因此，后續的SnO2-C 復合策略亟需提高鋰、鈉儲存動力學和容量能力。

第二，體積能量密度是評估SnO2基負極材料實際電池應用可行性的重要參數。雖然設計了各種各樣的結構、尺寸和形貌，部分解決了SnO2負極體積膨脹和導電性差的問題，但也出現了復合材料振實密度低、體積能量密度低等問題。

第三，過量的碳復合不可避免地會削弱SnO2基負極材料的比容量。因此，在未來SnO2-C 復合負極材料的設計和構造中需探索最佳碳含量。

第四，盡管多維SnO2及其復合材料性能較為優異，但由于結構復雜、原料昂貴、合成工藝流程繁瑣、合成條件苛刻且相關研究較少，亟需尋找低廉的原料作為替代品，簡化合成工藝，最大限度地減少合成條件之外的不利因素。

5 結語

本文根據SnO2（0D、1D、2D、3D） 和 碳（0D、1D、2D、3D）的尺寸變化對SnO2-C 復合負極材料的最新代表性進展進行了分類和闡述，重點介紹了復合材料的尺寸設計、所產生的協同效應以及性能增強的潛力。從0D SnO2開始，不但通過改變結構方式來緩解自身體積效應，還引入了不同尺寸的碳材料（0D、1D、2D、3D） 來合成各種SnO2-C 復合負極材料，達到改進鋰、鈉儲存性能的目的。0D 碳多是簡單的進行碳包覆，起到緩沖部分體積效應，增強電導率的作用；1D 碳材料提供電子傳導通路能極大地提高整個電極的導電性；2D 石墨烯材料突出的優勢在于在無黏結劑下能原位合成均勻分散可控的超細SnO2納米顆粒，這能有效地抑制SnO2納米顆粒的聚集和堆積；3D 導電碳材料的多孔結構能促進電解質的滲透，達到增強電解質和電極之間的反應效果。相比之下，1D、2D、3D 碳材料都能夠有效地適應SnO2的體積變化，三者穩定的機械性能、較大的比表面積可提供更有效的電子和鋰離子傳輸路徑，從而加快了電子和離子的傳輸速率。相比于1D SnO2，1D碳在提高鋰儲存性能方面具有巨大潛力，主要是因為1D 碳和1D SnO2的尺寸匹配有助于同時解決體積變化、界面不穩定性和電子/離子傳輸問題。而2D SnO2主要由于其固有的結構和界面特征，與碳的不同維度具有較好的兼容性。基于2D 碳改性的高振實密度3D SnO2，顯示出巨大的鋰、鈉儲存潛力。此外，調整SnO2的不同維度和碳的維度之間的相互作用在改善復合材料的可逆容量、循環性能、倍率性能和庫侖效率等方面起著重要作用。

通過可預測、可定制、可控、系統和經濟的方式使不同維度的SnO2與碳復合，不僅可以指導先進SnO2-C 復合材料、電極和系統的構建，還為制取其他金屬或金屬氧化物的納米晶體尺寸提供新的思路，并廣泛應用于燃料電池、金屬離子電池、鋰硫電池、超級電容器和其他儲能體系。