近期，南開大學化學學院李福軍研究員課題組利用金屬鉍與醚類電解液的協同效應，大幅提升了鈉離子電池的綜合性能，實現了負極材料的重要突破，闡明了電極材料充/放電過程的結構演變是電池比容量、循環壽命和倍率等提升的關鍵影響因素。相關工作以題為“Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes”發表在Advanced Materials上。

 

　　【圖文導讀】

 

　　圖1 性能表征

 

 

 

　　(a)第二個周期的放電和充電曲線。

 

　　(b)在(a)中標記的狀態下的Bi電極的XRD圖案。

 

　　(c)放電至0.1V的Bi電極的SAED圖案。

 

　　(d)充電至2.1V的Bi電極的SAED圖案。

 

　　圖2 Bi電極的XPS圖譜

 

 

 

　　在NaPF6-G2電解液中的原始狀態，放電和充電的Bi電極的C1s(a)，O1s(b)和F1s(c)光譜。

 

　　【研究內容】

 

　　近年來，鈉離子電池的研究發展迅速，受到廣泛關注。然而，普遍用作鋰離子電池負極的石墨，由于較低的反應電位易產生鈉枝晶，存在安全隱患。金屬單質和合金不僅比容量高，且具有合適的電壓平臺和良好的電子導電性，成為目前研究的熱點。但在酯類電解液中，該類材料充/放電時的劇烈體積變化易引起膨脹和粉化，容量衰減快速。李福軍團隊利用商業化塊狀金屬鉍與乙二醇二甲醚類電解液的協同作用，獲得了極其穩定的電化學性能。他們發現，這一系列醚類電解液對電極材料具有很好的浸潤性。同時，在使用醚類電解液進行充/放電循環后，這種塊狀的金屬鉍逐漸轉變為一種穩定的三維多孔網絡結構;但在酯類電解液中，金屬鉍迅速膨脹、粉化。這種獨特的三維多孔網絡結構不僅能夠容納金屬鉍充/放電過程的體積變化，還能夠為電子、離子的快速傳輸提供保證。另一方面，在醚類電解液的作用下，鉍表面能夠形成薄的、高穩定的SEI膜，大大提高了電池的效率和穩定性。 在醚類電解液的協同作用下，金屬鉍的首圈庫倫效率可高達94.8%。在400 mAg-1的電流密度下，金屬鉍的比容量為387 mAhg-1，在經過2000次充/放電循環后，容量保持率為94.4%。在金屬鉍與醚類電解液的協同作用下，鈉離子電池展現了出優異的循環穩定性和倍率性能。此研究為探尋穩定的鈉離子電池負極提供了嶄新的思路。