论文题目：Unveiling the structural transition and electrochemical evolution of tin-based chalcogenides for advanced lithium storage

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100413

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一、研究背景

随着电动汽车和便携电子设备的快速发展，发展大容量高性能的电极材料在高能量密度锂离子电池中显得尤为重要。商用石墨负极因其理论容量仅372 mAh/g，已难以满足下一代电池500 Wh/kg以上的能量密度要求。此外，石墨嵌锂电位过低（~0.1 V），易引发锂枝晶生长和安全隐患，限制了其快充应用。而锡基硫族化合物（SnX, X = S, Se, Te）因其独特的结构特性和高储锂活性成为研究热点。SnS和SnSe作为双活性材料，其阴离子S/Se和阳离子Sn均可与锂发生多电子反应（先转化生成Li₂S/Li₂Se，再合金化生成LixSn），容量是石墨的两倍以上。同时，其层状结构为锂离子扩散提供了天然通道，有利于实现快充性能。SnTe则具有更高的振实密度（6.5 g/cm³）和金属级导电率（~3.31×10³ S/m），在负极材料领域中具有很强的应用潜力。然而，一个关键科学问题长期被忽视：同为SnX家族成员，SnS和SnSe呈现正交层状结构，而SnTe为立方相结构。这种结构差异与传统认知中“同类化合物应具有相同结构”的观点相悖。考虑到材料的电化学行为与其本征结构密切相关，这种结构演变必然导致电化学性能的差异。但目前，SnX的结构演变规律及其对储锂行为的影响机制尚未得到系统研究。从原子尺度揭示这一问题，对高性能负极材料的理性设计具有重要的理论意义和应用价值。

二、成果简介

近日，来自海南大学的韦雅庆副教授与华中科技大学李会巧教授在国际知名期刊Advanced Powder Materials上发表题为“Unveiling the Structural Transition and Electrochemical Evolution of Tin-based Chalcogenides for Advanced Lithium Storage”的研究论文。该工作通过高能球磨法成功合成了一系列SnX（X = S, Se, Te）材料，系统揭示了从正交SnS/SnSe到立方SnTe的结构演变规律及其对电化学性能的影响机制。研究表明，S/Se与Sn之间较大的原子半径和电负性差异会引发晶格畸变和化学键断裂，导致正交相的形成；而Te与Sn相似的理化性质则使SnTe保持类似金属Sn立方结构。得益于立方相结构优势，SnTe展现出更高的电子导电率（3.31×10³ S/m）、更大的振实密度（6.48 g/cm³）和更快的锂离子扩散动力学，在锂离子电池和电容器中表现出优异的电化学性能。

三、关键创新点

1. 揭示结构演变规律：通过实验表征与理论计算相结合，首次系统阐明SnX从正交SnS/SnSe到立方SnTe的结构演变机理，建立原子尺度构效关系。

2. 量化电化学性能差异：证实立方相SnTe在导电性、振实密度、反应动力学等方面优于正交相SnS/SnSe，实现高性能负极材料的定向筛选。

3. 拓展器件应用场景：基于SnTe高赝电容贡献（94%），成功组装AC//SnTe锂离子电容器，实现高能量密度（114 Wh/kg）、高功率密度（7000 W/kg）与长循环寿命（8000次循环后容量保持率92.7%）。

四、核心数据解读

1. SnX的合成、结构表征与演变机理

图1. SnX的XRD精修、晶体结构、Raman光谱及HRTEM表征

利用高能球磨法成功合成SnS、SnSe和SnTe。XRD精修结果表明，SnS与SnSe同属正交晶系（空间群Pnma），而SnTe为立方晶系（空间群Fm-3m），与Sn基体结构相似。Raman光谱显示SnS/SnSe具有典型的类似黑磷的振动模式，SnTe则呈现立方相特征振动峰。HRTEM进一步证实SnS/SnSe的（111）晶面间距分别为2.727 Å和2.891 Å，SnTe的（200）晶面间距为3.136 Å。上述结果表明，S/Se与Sn之间较大的原子半径差（R=41%-65%）和电负性差（χ=0.59-0.62）引发晶格畸变与相转变，而Te与Sn性质相近（R=15%，χ=0.14），使SnTe保留立方结构。

图2. SnX的原子半径/电负性对比、形成能计算及声子谱

DFT计算显示，SnS、SnSe和SnTe的形成能均为负值（−0.974、−0.955和−0.653 eV），证实其热力学稳定性。声子谱分析表明，正交SnS/SnSe和立方SnTe均无虚频模式，结构稳定；而构建的正交SnTe模型出现大量虚频，形成能为正值（0.113 eV），进一步证明SnTe以立方相稳定存在。上述理论计算与实验结果高度吻合，从原子尺度揭示了SnX的结构演变规律。

2. 电子结构与键合作用分析

图3. SnX的电子局域函数、XPS精细谱、态密度及导电率测试

电子局域函数显示SnS/SnSe中Sn-S/Sn-Se键存在明显电子云极化，而SnTe中Sn-Te相互作用较弱。XPS分析表明SnS中高价态Sn占比91%，SnTe中全部为低价态Sn，且Te呈非完全氧化态，证实Sn-Te键合作用减弱。态密度计算显示SnS/SnSe存在带隙（0.654 eV和0.327 eV），为半导体特性；SnTe在费米能级处无带隙，呈金属导电性。实验测得SnTe电导率高达3.31×10³ S/m，较SnS（10⁻¹ S/m）和SnSe（10⁰ S/m）提升3–4个数量级。此外，SnTe振实密度达6.48 g/cm³，远高于石墨（2.25 g/cm³），有利于提升体积能量密度。

3. 电化学性能与储锂机制研究

图4. SnX电极的循环性能、dQ/dV峰强演变及分区循环测试

电化学测试表明，SnTe电极在200次循环后仍保持698 mAh/g的可逆容量，容量保持率高达95%，远优于SnS（17%）和SnSe（61%）。dQ/dV峰强演变分析显示，SnS/SnSe在~1.5 V处的转化反应峰（Li2S/Li2Se）快速衰减甚至消失，而SnTe的Li2Te转化峰保持良好，表明Te基转化产物具有更高的可逆性和反应动力学。不同电压窗口的循环测试证实，三者的合金化区循环均较稳定（500次循环后保持率>90%），而转化区循环稳定性差异显著，SnTe转化区容量保持率（62%）明显高于SnS（45.8%）和SnSe（47.5%）。

图5. SnX电极的倍率性能、体积容量及SnTe高倍率循环

SnTe电极展现出优异的倍率性能，在5C（~3.5 A/g）高电流密度下仍保持518 mAh/g的可逆容量，容量保持率达51.0%，远高于SnS（14.6%）和SnSe（35.5%）。得益于其高振实密度，SnTe在5C下体积容量高达3292 mAh/cm³，显著优于SnS（1337 mAh/cm³）和SnSe（3145 mAh/cm³）。即使在10 A/g的超高电流密度下，SnTe仍能提供236 mAh/g的可逆容量，且电流密度恢复后容量回复率接近100%，展现出优异的快速充放电能力。

4. 赝电容贡献与反应动力学分析

图6. SnTe电极的赝电容贡献、锂扩散系数、EIS及AC//SnTe电容器性能

动力学分析表明，SnTe电极在1 mV/s扫速下赝电容贡献高达94%，明显高于SnS（83%）和SnSe（92%）。GITT测试显示SnTe具有更高的锂离子扩散系数，EIS测得其电荷转移阻抗（91.0 Ω）远低于SnS（205.7 Ω）和SnSe（151.8 Ω）。基于SnTe高赝电容特性，组装AC//SnTe锂离子电容器，该器件能量密度达114 Wh/kg，功率密度达7000 W/kg，且在8000次循环后容量保持率高达92.7%，展现出优异的综合性能。

五、总结与展望

本工作系统揭示了锡基硫族化合物（SnX, X = S, Se, Te）从正交SnS/SnSe到立方SnTe的结构演变规律及其对电化学性能的影响机制。研究表明，S/Se与Sn之间较大的原子半径和电负性差异引发晶格畸变与相转变，而Te与Sn相似的理化性质使SnTe保持近似金属Sn的立方结构。得益于立方相结构优势，SnTe展现出更高的电子导电率、更大的振实密度和更快的锂离子扩散动力学，在锂离子电池中表现出优异的循环稳定性（200次循环后698 mAh/g）和倍率性能（10 A/g下236 mAh/g）。此外，基于其高赝电容贡献（94%），组装AC//SnTe锂离子电容器实现高能量密度（114 Wh/kg）、高功率密度（7000 W/kg）与长循环寿命（8000次循环后容量保持率92.7%）。这种结构演变规律的深入理解和构效关系的建立，为高性能电极材料的理性设计提供了重要理论参考与技术借鉴，可望拓展至其他转化型或合金型负极材料的结构改性与性能优化。

引用信息：Xuhao Liu, Wenjie Ye, Tingzhi Deng, Bin Chen, Wei Liang, Chenyang Zhang, Panpan Zhang, Xing Lu, Zhen Wang, Yong Chen, Yaqing Wei, Huiqiao Li, Unveiling the structural transition and electrochemical evolution of tin-based chalcogenides for advanced lithium storage, Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100413. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100413

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000217