Small:Bi和Sb固溶体通过连续合金化反应实现稳定的锂存储

【研究背景】

随着环境污染与能源短缺的矛盾日益突出,发展可持续的可再生能源和高效的储能装置已成为迫切需求。此外,随着全球市场的大幅增长,需要高功率密度的电池来满足电动汽车的需求。锂离子电池具有比能高、循环寿命长、轻便灵活等优点,是最有发展前途的化学储能电源。目前用于商业应用的石墨,由于其理论容量低,逐渐降低的循环性能和倍率性能而无法满足日益增长的需求。因此,寻找合适的具有较好的电化学性能的替代品来替代石墨成为人们关注的研究课题。具有合金化反应的材料具有较高的理论容量和合适的锂化电位,因而具有作为锂离子电池电极的重要潜力,但由于剧烈的体积膨胀和活性物质的严重粉化,导致循环性能较差。

【文章概述】

近期,武汉理工大学吴劲松教授团队等通过在Bi0.5Sb0.5固溶体表面包覆N掺杂碳得到Bi0.5Sb0.5@NC纳米复合材料。研究发现,碳包覆的Bi0.5Sb0.5固溶体能够实现连续的合金化反应:在循环过程中,首先发生Sb与Li的合金化反应,然后发生Bi与Li的合金化反应,形成富Sb的壳层和富Bi的核层结构。连续的合金化反应使Bi0.5Sb0.5@NC展示出高容量、长寿命(2000次循环后, 489.4 mAh g-1)和较好的循环稳定性。这项工作为开发具有工业应用潜力的碱性离子充电电池用合金电极铺平了道路。武汉理工大学材料学院硕士研究生王宇涛为论文第一作者,博士生余若瀚为共同第一作者,此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

【图文导读】

图1. Bi0.5Sb0.5@NC的表征。
图2. Bi0.5Sb0.5@NC阳极的电化学性能。
图3. Bi0.5Sb0.5@NC和Bi0.5Sb0.5阳极的原位电镜表征。
图4. Bi0.5Sb0.5@NC和Bi0.5Sb0.5阳极的非原位电镜表征以及充锂/脱锂过程中的结构演变图。

【总结与展望】

在以Bi0.5Sb0.5@NC为电极的二元Bi0.5Sb0.5固溶体中,通过N掺杂碳球包覆使连续的合金化反应成为提高LIBs循环性能的关键。碳包覆不仅对锂化过程中的体积膨胀具有较强的限制作用,而且具有缓冲效应,控制着锂离子扩散和合金化反应动力。当接近热力学平衡时,锂离子首先与Sb反应,然后与Bi反应。这种连续的合金化反应导致氧化过程中形成富Sb的壳层和富Bi的核层结构。当作为锂离子电池阳极材料时, Bi0.5Sb0.5@NC通过连续的合金化反应展示出高容量、长寿命(2000循环次后489.4 mAh g-1)与良好的倍率性能,同时伴随着积极的结构演化。我们相信这项工作将为下一代合金化LIBs电极的机理分析和结构设计提供思路。

【论文信息】

Solid Solution of Bi and Sb for Robust Lithium Storage Enabled by Consecutive Alloying Reaction

Yutao Wang, Ruohan Yu, Tingting Luo, Ganggang Ma, Guangwu Hu, Jiahui Lyu, Liang Zhou, Jinsong Wu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102915

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102915