Advanced Materials:具有长循环寿命高倍率性能的钠离子电池铋@碳复合负极材料

由于锂资源在地壳中的储量较少且分布不均匀等问题制约了锂离子电池技术的持续发展和大规模应用。因此,迫切需要开发出可替代锂离子电池的二次电池体系。而同一主族的钠与锂有相似的物理化学性质,且储量丰富、分布广泛。因此,钠离子电池被认为是最有希望成为低成本、大规模储能应用的电池技术。近年来,金属铋由于其低毒性、储量丰富,较高的理论比容量(386 mAh g-1)以及较安全的反应电压(~0.6 V)等优点,被认为是最有前景的钠离子电池负极材料之一。但是,当金属铋与钠合金化反应后产生较大的体积膨胀(≈244%),会使电极材料粉化后从电极片上脱落,造成严重的容量衰减。

天津大学材料学院许运华教授研究团队和合作者在铋基钠离子电池负极方面的研究取得重要进展。他们采用商业化的柠檬酸铋为前驱体,通过一步热解的方法得到了具有长循环寿命和高倍率性能的钠离子电池铋@碳复合负极材料。相关结果以“Bismuth Nanoparticle@Carbon Composite Anodes for Ultralong Cycle Life and High‐Rate Sodium‐Ion Batteries”为题,发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201904771)上

在当前提升金属铋基材料电化学性能的各类方法中,碳包覆纳米铋被认为是最有效的方法之一。然而,由于金属铋较低的熔点(271 °C),在二次碳包覆纳米铋的过程中会造成金属铋的二次熔化再凝固,很难保持纳米铋的纳米化形态。另外,金属铋和高温碳化生成的碳材料之间较弱的作用力会导致碳材料仍然不能缓冲在反复充放电过程中叫大的体积膨胀。为了更好的解决这一问题,该团队通过一步热解商业化的柠檬酸铋构筑了一种具有核壳结构的铋@碳复合材料。在该复合材料中,发现金属铋和碳层之间存在很强的作用力。这种原位生成的无定形碳层不仅能有效地缓冲金属铋的体积膨胀,还可促进电荷转移,极大地提升复合材料的综合电化学性能,扣式电池测试结果表明:(1)在在8 A g-1的大电流密度下循环30000圈后,容量保持率高达95%;(2)在60 A g-1的电流密度下,相比于0.4 A g-1时具有71%的容量保持率;(3)与磷酸钒钠匹配的全电池在1 A g-1的电流密度下循环500圈后,容量保持率达到93%;(4)在11.5 mg cm-2的高载量下和0.8 A g-1的电流密度下,循环200圈后,仍然有280 mAh g-1的比容量。该工作中构筑的导电网络结构,不但可以作为一种的普适方法,在改善其他材料电化学性能方面得到广泛的研究和应用,而且有望促进具有优异电化学性能的二次电池的发展。