【科學(xué)材料站】上海大學(xué)趙玉峰教授團(tuán)隊(duì)Angew：鉍負(fù)極“多米諾骨牌式”結(jié)構(gòu)恢復(fù)助力快速持久Na/K儲(chǔ)存
文 章 信 息
鉍負(fù)極“多米諾骨牌式”結(jié)構(gòu)恢復(fù)助力快速持久Na/K儲(chǔ)存
第一作者：龍紅利，王靜
通訊作者：趙玉峰*
單位：上海大學(xué)，燕山大學(xué)，電子科技大學(xué)
研 究 背 景
具有高體積能量密度和高速率充電/放電的可充電電池，可以極大程度地適用于電動(dòng)汽車和其他高功率設(shè)備領(lǐng)域，鈉/鉀離子電池因其低成本和豐富的資源而備受關(guān)注。目前，商業(yè)鈉鉀離子電池多選用硬碳作為負(fù)極材料，但其存在密度低、體積容量差、充放電平臺(tái)過(guò)低等缺點(diǎn)，制約鈉/鉀離子電池的大規(guī)模應(yīng)用。合金型負(fù)極材料，如Sn、Sb、Bi等，因其與鈉/鉀元素形成合金，且顯示出高的體積比容量和合適的電壓平臺(tái)，是一種有潛力的負(fù)極材料。然而，在循環(huán)過(guò)程中，由于巨大的體積膨脹導(dǎo)致電極材料遭受嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)崩塌和重度粉碎，降低了容量和循環(huán)壽命，目前傳統(tǒng)的納米結(jié)構(gòu)技術(shù)無(wú)法從根本上解決這一問(wèn)題。本文通過(guò)理論計(jì)算模擬了Bi在（去）合金化過(guò)程中的抗體積膨脹機(jī)制，揭示了（去）合金化過(guò)程中的不可逆相變是Bi負(fù)極結(jié)構(gòu)退化的根本原因。并通過(guò)構(gòu)筑剛性塊體碳包覆納米Bi顆粒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，利用塊體碳產(chǎn)生的適當(dāng)壓應(yīng)力誘發(fā)Bi晶體的“類多米諾骨牌”復(fù)原從而保持結(jié)構(gòu)的顯著穩(wěn)定性。通過(guò)全面的原位TEM和原位XRD表征，首次可視化了Bi和Na3Bi之間的直接轉(zhuǎn)化，并證明了由體積變化引起的應(yīng)力和應(yīng)變可以從鉍納米球轉(zhuǎn)移到周圍的碳。該研究對(duì)不良結(jié)構(gòu)演變提供了新見(jiàn)解，并為合金型電極材料的抗降解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路和指導(dǎo)。
文 章 簡(jiǎn) 介
近日，來(lái)自上海大學(xué)趙玉峰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合燕山大學(xué)王靜教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發(fā)表題為“Enable the Domino‐like Structural Recovering in Bismuth Anode to Achieve Fast and Durable Na/K Storages”的研究論文，報(bào)道了一種獨(dú)特的塊體顆粒結(jié)構(gòu)，即在塊狀碳中鑲嵌鉍納米球，以實(shí)現(xiàn)高首效，高體積容量和長(zhǎng)循環(huán)壽命的快充鈉/鉀離子電池。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有外加應(yīng)力的情況下，Bi的層狀結(jié)構(gòu)無(wú)法通過(guò)Na-Bi合金的脫鈉實(shí)現(xiàn)可逆恢復(fù)。而構(gòu)筑剛性內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)可促進(jìn)Bi和Na3Bi的直接轉(zhuǎn)化，Bi顆粒外包覆的剛性碳結(jié)構(gòu)可在充放電過(guò)程中施加應(yīng)力，促進(jìn)金屬Bi層狀結(jié)構(gòu)的“多米諾骨牌式”復(fù)原。所獲得的BiNC顯示出了高體積容量（SIBs為823.1mAh·cm-3，PIBs為848.1mAh·cm-3）和初始庫(kù)侖效率（SIBs為95.3%，PIBs為96.4%），以超高的循環(huán)穩(wěn)定性（SIBs為15000個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)只有0.0015%的降解）。本工作對(duì)合金型負(fù)極材料的循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)粉化提出了新的認(rèn)識(shí)。