楊誠團隊在長壽命水系鈉離子電池及負極復合材料的結(jié)構(gòu)設計方面取得新進展

在追求更可靠、更經(jīng)濟的能源存儲解決方案的過程中，人們對水系二次電池的興趣正在快速增強。金屬鉍基水系鈉離子電池因其在高安全、成本和比容量方面顯著的優(yōu)勢，成為一種具有廣闊發(fā)展前景的儲能設備。然而，負極作為決定電池電化學性能的關鍵一環(huán)，鉍基材料存在循環(huán)穩(wěn)定性弱、容量衰減快等問題，這是由于金屬鉍的導電性較差，且在電池循環(huán)過程中會產(chǎn)生較大的體積膨脹甚至結(jié)構(gòu)粉化。因此，探索一種有效的結(jié)構(gòu)調(diào)控策略增強鉍負極的抗粉化能力，對于提高以鉍為代表的一類轉(zhuǎn)化反應機制負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性具有重要意義。

近日，清華大學深圳國際研究生院楊誠團隊提出通過紫外激光輻照誘導鉍納米粒子錨定于石墨烯納米片層，瞬態(tài)加熱冷卻的反應條件有利于直接形成微納復合結(jié)構(gòu)。同時紫外光具備的驅(qū)動光化學反應特征實現(xiàn)了還原的納米鉍與激光誘導石墨烯之間發(fā)生增強的化學鍵合作用，制備出的金屬鉍-石墨烯復合材料作為水系鈉離子電池負極實現(xiàn)了超長循環(huán)的電化學性能。

圖1紫外激光誘導的Bi@LIG負極復合材料制備示意圖及鉍納米顆粒的錨定

研究人員還通過引入常見的碳物理混合策略的對照樣品Bi/GO，與本文提出的激光誘導的化學鍵增強的Bi@LIG在分子動力學模擬層面進行結(jié)構(gòu)計算，得出了在逐步嵌入鈉離子后不同狀態(tài)下鉍-鉍金屬鍵長以及對應的體積膨脹率，基于對兩種形式的碳支撐納米結(jié)構(gòu)的綜合分析，說明“鑲嵌式”的金屬鉍-石墨烯復合結(jié)構(gòu)有效地限制了充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹，在經(jīng)歷長循環(huán)后仍能保留結(jié)構(gòu)的完整性（圖2）。該項工作對利用激光脈沖沉積技術實現(xiàn)金屬負極的普適化碳復合有著重要的借鑒意義。

圖2不同結(jié)構(gòu)的Na-Bi儲能體系和電化學嵌入過程的分子動力學模擬

相關研究成果近日以“化學鍵增強的鉍-石墨烯納米片復合結(jié)構(gòu)用于超長壽命的水系鈉離子儲存”（Inlaying Bismuth Nanoparticles on Graphene Nanosheets by Chemical Bond for Ultralong-Lifespan Aqueous Sodium Storage）為題發(fā)表在國際期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。本文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院材料研究院楊誠副教授和博士后王方成（現(xiàn)為中科院深圳先進院助理研究員），第一作者為清華大學深圳國際研究生院2020級材料科學與工程專業(yè)博士生朱浩杰。論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授，清華大學深圳國際研究生院2018級博士生彭露和博士后秦婷婷。該研究得到國家自然科學基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳蓋姆石墨烯中心、清華大學深圳國際研究生院海外合作項目等支持。

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