马里兰大学Energ. Environ. Sci. ：Bi@graphite作为超快和超稳的SIBs电池的负极材料

【引言】

自然石墨是一种理想SIBs的高倍率负极材料。相对来讲，硬碳石墨材料具有高的容量，但是倍率性能和循环性能还没有满足要求。另外，硬碳作为钠离子电池的材料时，具有低钠电位导致钠枝晶的形成。理论计算发现第四主族和第五主族的金属元素，在钠离子电池中具有高的容量。然而，这些金属材料应用到钠离子中仍然是一个很大的挑战，主要原因是由于材料的聚集和粉化导致电池的容量衰减严重，电池出现体积变化。目前，可以通过设计纳米多孔材料和提高碳材料的导电性，进而提高电池的循环寿命。石墨烯与石墨相比，它的缺陷较多，层间疏松，具有较低的导电性。本文第一次制备了金属纳米颗粒和石墨层复合的材料。这种材料作为钠离子负极材料具有较好的快速充放电能力，高的效率，良好的稳定性。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学的王春生（通讯作者）等人，研究发现钠离子电池是一种非常有潜力的新能源动力。面对新能源大范围应用的要求， SIBs电池需要具有很好的循环寿命和高的能量密度。目前合适的负极材料的缺乏，阻碍了SIBs的应用。因此本文报道了Bi@Graphite负极材料与先前研究的不同之处。在Bi@Graphite材料中，Bi处于石墨的层间，增加材料的性能，石墨提供了一种电子通道，提高其循环稳定性。Bi@Graphite材料提供了相对于Na/Na⁺为0.5 V的安全储能电压。在1 C（160 mAg^-1）的电流密度下，其容量为160 mAhg^-1；其循环效率为90 %（20 C的电流密度循环10000圈），在300 C的电流密度下，其效率也能达到70 %，这个相当于12 s内完全充放电。Bi@Graphite材料具有较高的倍率性能。本文的研究对于提高SIBs的能量密度具有重要意义。相关成果以“Intercalation of Bi nanoparticles into graphite enables ultra-fast and ultra-stable anode material for Sodium-ion batteries”为题发表在Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图1 Bi@graphite的合成示意图

Bi@graphite的合成示意图。

图2 样品的XRD及红外光谱图

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

（b）Graphite和Bi@Graphite的红外光谱。

图3 Bi@Graphite的形貌及其元素分布图

（a）层状Bi@Graphite的SEM图像；

（b）Bi@Graphite的SEM图像，及其C，Bi和总的Mapping图；

（c，d）Bi@Graphite的TEM和HRTEM图像。

图4 Bi@Graphite的充放电性能曲线

（a）Bi@Graphite的充放电曲线；

（b）不同充放电速率的倍率容量；

（c）不同速率下的充放电曲线；

（d）SIBs的负极材料的倍率性能比较。

图5 SIBs的CV曲线测试图

（a，c，d）不同扫描速率下的CV曲线；

（d，e，d）不同的电流峰值。

图6 Bi@Graphite的循环性能，及其循环后的SEM图和元素分布图

（a）0.5 C循环20圈后，在20 C的电流密度下的循环测试；

（b）铜箔上片状的Bi@Graphite循环测试后的SEM图，及其C，Na和Bi的mapping图；

（c，e）Bi@Graphite的TEM图像；

（d，f）Bi@Graphite的HRTEM图像。

【小结】

本文通过K元素和Bi元素一起插入石墨中，然后化学除去K元素，获得10 nm的Bi纳米颗粒。Bi纳米颗粒和层状石墨形成三明治结构，Bi纳米颗粒均匀分布在石墨的层间，能够提高石墨的电导性。Bi@Graphite复合电极能够保持较高的可逆容量142 mAhg^-1，在20 C的电流密度下，跑10000圈，其效率为90%。考虑到原材料的低价格，Bi@Graphite是一种理想SIBs的负极材料。换句话来说，本文提供了一种合成金属碳复合材料的新方法，可以使金属的高容量和石墨的高导电性充分利用。这种制备方法具有普适性，也可以用来制备其他金属和石墨的复合材料。

文献链接：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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