PNSMI 封面文章
具有先进钠离子存储性能的多孔铋纳米晶体
温州大学
袁一斐 教授团队
研究背景
铋(Bi)基材料具有高体积比容量、合适的电压平台和低成本等优点，可作为大规模钠离子电池的理想电极。而传统的铋基晶体材料多为固体晶体，体积膨胀严重(≈244%)，阻碍了Bi作为SIBs的商业阳极材料的应用。
研究方法
本研究对材料进行了纳米化处理，使其具有多孔性，同时保留了铋晶体材料的整体颗粒形态和尺寸，并依靠其孔隙来有效减缓体积膨胀。采用简单水热合成法制备了孔径在200 ~ 400 nm之间的纳米铋单晶。采用原位XRD和原位透射电镜技术研究了单晶铋纳米球的钠化行为。
实验结果解析
图1. 以NaBiO3·2H2O为铋源，乙二醇为还原剂，通过改变表面活性剂PVP的分子量，通过简单的水热合成制备了固体和多孔球的两种样品。图1b为两种合成产物的x射线衍射(XRD)图。
图2. 样品形貌表征。多孔球具有丰富的孔隙，而实心球表面光滑，没有孔隙结构。两种产物的直径都在200-400nm范围内。
图3. 图3e显示了两种样品在2 A/g电流密度下的长循环曲线。3f显示，多孔球在15A/g的高电流密度下循环700次，它仍然提供约300 mAhg−1的高比容量，库仑效率约为100%。
图5. 原位x射线衍射(XRD)测试研究多孔铋纳米球电极在放电过程中的储钠机理。图5b展示了铋基多孔球的钠离子存储行为。在反应初期，基于Bi金属与Na金属之间的强相互作用，Bi金属优先结合部分钠离子形成NaBi合金相，而部分钠离子被消耗形成SEI，在反应动力学的中后期，NaBi继续接受更多的钠离子形成Na3Bi，在此期间阳极的体变形效果变差。
实验总结与结论
该研究在不同分子量的PVP存在下，用乙二醇还原铋酸钠成功制备了两种铋纳米球，并通过原位XRD和原位TEM技术详细研究了它们的钠储存机理。
作为SIBs的阳极，多孔铋球具有更高的容量、更高的倍率性能和更持久的循环行为，即使在高电流密度下也能提供高容量(300 mAhg−1,1700次循环，15 Ag−1)。在Bi晶体中引入多孔结构扩大了Bi的比表面积，提供了更多的Bi与Na+结合的活性位点，提高了活性材料的利用率，同时也减轻了重复(脱)钠化时的颗粒粉碎性，从而提高了材料的循环稳定性和倍率性能。
本研究对设计其他合金基电极材料(如Sn, Si和Ge)的有启示作用。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.02.004
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
欢迎投稿
扫码关注，获取更多
往期回顾：
