馬里蘭大學Energ. Environ. Sci. ：Bi@graphite作為超快和超穩的SIBs電池的負極材料

【引言】

自然石墨是一種理想SIBs的高倍率負極材料。相對來講，硬碳石墨材料具有高的容量，但是倍率性能和循環性能還沒有滿足要求。另外，硬碳作為鈉離子電池的材料時，具有低鈉電位導致鈉枝晶的形成。理論計算發現第四主族和第五主族的金屬元素，在鈉離子電池中具有高的容量。然而，這些金屬材料應用到鈉離子中仍然是一個很大的挑戰，主要原因是由于材料的聚集和粉化導致電池的容量衰減嚴重，電池出現體積變化。目前，可以通過設計納米多孔材料和提高碳材料的導電性，進而提高電池的循環壽命。石墨烯與石墨相比，它的缺陷較多，層間疏松，具有較低的導電性。本文第一次制備了金屬納米顆粒和石墨層復合的材料。這種材料作為鈉離子負極材料具有較好的快速充放電能力，高的效率，良好的穩定性。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學的王春生（通訊作者）等人，研究發現鈉離子電池是一種非常有潛力的新能源動力。面對新能源大范圍應用的要求， SIBs電池需要具有很好的循環壽命和高的能量密度。目前合適的負極材料的缺乏，阻礙了SIBs的應用。因此本文報道了Bi@Graphite負極材料與先前研究的不同之處。在Bi@Graphite材料中，Bi處于石墨的層間，增加材料的性能，石墨提供了一種電子通道，提高其循環穩定性。Bi@Graphite材料提供了相對于Na/Na⁺為0.5 V的安全儲能電壓。在1 C（160 mAg^-1）的電流密度下，其容量為160 mAhg^-1；其循環效率為90 %（20 C的電流密度循環10000圈），在300 C的電流密度下，其效率也能達到70 %，這個相當于12 s內完全充放電。Bi@Graphite材料具有較高的倍率性能。本文的研究對于提高SIBs的能量密度具有重要意義。相關成果以“Intercalation of Bi nanoparticles into graphite enables ultra-fast and ultra-stable anode material for Sodium-ion batteries”為題發表在Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖1 Bi@graphite的合成示意圖

Bi@graphite的合成示意圖。

圖2 樣品的XRD及紅外光譜圖

（a）KBi_0.6C₈，Bi+Bi@Graphite，Bi@Graphite的XRD圖譜；

（b）Graphite和Bi@Graphite的紅外光譜。

圖3 Bi@Graphite的形貌及其元素分布圖

（a）層狀Bi@Graphite的SEM圖像；

（b）Bi@Graphite的SEM圖像，及其C，Bi和總的Mapping圖；

（c，d）Bi@Graphite的TEM和HRTEM圖像。

圖4 Bi@Graphite的充放電性能曲線

（a）Bi@Graphite的充放電曲線；

（b）不同充放電速率的倍率容量；

（c）不同速率下的充放電曲線；

（d）SIBs的負極材料的倍率性能比較。

圖5 SIBs的CV曲線測試圖

（a，c，d）不同掃描速率下的CV曲線；

（d，e，d）不同的電流峰值。

圖6 Bi@Graphite的循環性能，及其循環后的SEM圖和元素分布圖

（a）0.5 C循環20圈后，在20 C的電流密度下的循環測試；

（b）銅箔上片狀的Bi@Graphite循環測試后的SEM圖，及其C，Na和Bi的mapping圖；

（c，e）Bi@Graphite的TEM圖像；

（d，f）Bi@Graphite的HRTEM圖像。

【小結】

本文通過K元素和Bi元素一起插入石墨中，然后化學除去K元素，獲得10 nm的Bi納米顆粒。Bi納米顆粒和層狀石墨形成三明治結構，Bi納米顆粒均勻分布在石墨的層間，能夠提高石墨的電導性。Bi@Graphite復合電極能夠保持較高的可逆容量142 mAhg^-1，在20 C的電流密度下，跑10000圈，其效率為90%。考慮到原材料的低價格，Bi@Graphite是一種理想SIBs的負極材料。換句話來說，本文提供了一種合成金屬碳復合材料的新方法，可以使金屬的高容量和石墨的高導電性充分利用。這種制備方法具有普適性，也可以用來制備其他金屬和石墨的復合材料。

文獻鏈接：Intercalation of Bi nanoparticles into graphite enables ultra-fast and ultra-stable anode material for Sodium-ion batteries （Energy & Environmental Science, 2018, DOI: 10.1039/C7EE03016A）。

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