南开大学化学学院李福军课题组：醚类电解液协同提升金属铋的综合储钠性能

【成果简介】

可再生能源是支撑现代经济和社会可持续发展的基础。发展低成本、高效的能源存储与转换是可再生能源充分利用的前提。由于钠资源丰富且成本低，钠离子电池受到了人们的广泛关注。然而，钠离子半径大，其脱/嵌过程产生的电极材料体积效应显著，电池性能衰减迅速。因此，高效、稳定的电极材料是钠离子电池发展的关键。

近期，南开大学化学学院李福军研究员课题组利用金属铋与醚类电解液的协同效应，大幅提升了钠离子电池的综合性能，实现了负极材料的重要突破，阐明了电极材料充/放电过程的结构演变是电池比容量、循环寿命和倍率等提升的关键影响因素。相关工作以题为“Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes”发表在Advanced Materials上。 　

【图文导读】

图1 性能表征

（a）第二个周期的放电和充电曲线。

（b）在（a）中标记的状态下的Bi电极的XRD图案。

（c）放电至0.1V的Bi电极的SAED图案。

（d）充电至2.1V的Bi电极的SAED图案。

图2 Bi电极的XPS图谱

在NaPF₆-G₂电解液中的原始状态，放电和充电的Bi电极的C1s（a），O1s（b）和F1s（c）光谱。

【研究内容】

近年来，钠离子电池的研究发展迅速，受到广泛关注。然而，普遍用作锂离子电池负极的石墨，由于较低的反应电位易产生钠枝晶，存在安全隐患。金属单质和合金不仅比容量高，且具有合适的电压平台和良好的电子导电性，成为目前研究的热点。但在酯类电解液中，该类材料充/放电时的剧烈体积变化易引起膨胀和粉化，容量衰减快速。李福军团队利用商业化块状金属铋与乙二醇二甲醚类电解液的协同作用，获得了极其稳定的电化学性能。他们发现，这一系列醚类电解液对电极材料具有很好的浸润性。同时，在使用醚类电解液进行充/放电循环后，这种块状的金属铋逐渐转变为一种稳定的三维多孔网络结构；但在酯类电解液中，金属铋迅速膨胀、粉化。这种独特的三维多孔网络结构不仅能够容纳金属铋充/放电过程的体积变化，还能够为电子、离子的快速传输提供保证。另一方面，在醚类电解液的作用下，铋表面能够形成薄的、高稳定的SEI膜，大大提高了电池的效率和稳定性。 在醚类电解液的协同作用下，金属铋的首圈库伦效率可高达94.8%。在400 mAg^-1的电流密度下，金属铋的比容量为387 mAhg^-1，在经过2000次充/放电循环后，容量保持率为94.4%。在金属铋与醚类电解液的协同作用下，钠离子电池展现了出优异的循环稳定性和倍率性能。此研究为探寻稳定的钠离子电池负极提供了崭新的思路。

原文链接：http://chem.nankai.edu.cn/ejymzhylm.aspx?t=4&m=5&n=3409

文献链接：Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes (Advanced Materials, 2017, DOI:10.1002/adma.201702212)

本文由材料人编辑部石小梅编辑，点我加入材料人编辑部。

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