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文 章 信 息
鉍負極“多米諾骨牌式”結構恢復助力快速持久Na/K儲存
第一作者：龍紅利，王靜
通訊作者：趙玉峰*
單位：上海大學，燕山大學，電子科技大學
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汽車和其他高功率設備領域，鈉/鉀離子電池因其低成本和豐富的資源而備受關注。目前，商業鈉鉀離子電池多選用硬碳作為負極材料，但其存在密度低、體積容量差、充放電平臺過低等缺點，制約鈉/鉀離子電池的大規模應用。合金型負極材料，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，是一種有潛力的負極材料。然而，在循環過程中，由于巨大的體積膨脹導致電極材料遭受嚴重的結構崩塌和重度粉碎，降低了容量和循環壽命，目前傳統的納米結構技術無法從根本上解決這一問題。本文通過理論計算模擬了Bi在（去）合金化過程中的抗體積膨脹機制，揭示了（去）合金化過程中的不可逆相變是Bi負極結構退化的根本原因。并通過構筑剛性塊體碳包覆納米Bi顆粒的獨特結構，利用塊體碳產生的適當壓應力誘發Bi晶體的“類多米諾骨牌”復原從而保持結構的顯著穩定性。通過全面的原位TEM和原位XRD表征，首次可視化了Bi和Na3Bi之間的直接轉化，并證明了由體積變化引起的應力和應變可以從鉍納米球轉移到周圍的碳。該研究對不良結構演變提供了新見解，并為合金型電極材料的抗降解結構設計提供了新思路和指導。
文 章 簡 介
近日，來自上海大學趙玉峰教授團隊聯合燕山大學王靜教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發表題為“Enable the Domino‐like Structural Recovering in Bismuth Anode to Achieve Fast and Durable Na/K Storages”的研究論文，報道了一種獨特的塊體顆粒結構，即在塊狀碳中鑲嵌鉍納米球，以實現高首效，高體積容量和長循環壽命的快充鈉/鉀離子電池。理論計算發現，在沒有外加應力的情況下，Bi的層狀結構無法通過Na-Bi合金的脫鈉實現可逆恢復。而構筑剛性內嵌結構可促進Bi和Na3Bi的直接轉化，Bi顆粒外包覆的剛性碳結構可在充放電過程中施加應力，促進金屬Bi層狀結構的“多米諾骨牌式”復原。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）和初始庫侖效率（SIBs為95.3%，PIBs為96.4%），以超高的循環穩定性（SIBs為15000個循環，每個循環只有0.0015%的降解）。本工作對合金型負極材料的循環過程中結構粉化提出了新的認識。