【科学材料站】上海大学赵玉峰教授团队Angew：铋负极“多米诺骨牌式”结构恢复助力快速持久Na/K储存-Yufeng Zhao

具有高体积能量密度和高速率充电/放电的可充电电池，可以极大程度地适用于电动汽车和其他高功率设备领域，钠/钾离子电池因其低成本和丰富的资源而备受关注。目前，商业钠钾离子电池多选用硬碳作为负极材料，但其存在密度低、体积容量差、充放电平台过低等缺点，制约钠/钾离子电池的大规模应用。合金型负极材料，如Sn、Sb、Bi等，因其与钠/钾元素形成合金，且显示出高的体积比容量和合适的电压平台，是一种有潜力的负极材料。然而，在循环过程中，由于巨大的体积膨胀导致电极材料遭受严重的结构崩塌和重度粉碎，降低了容量和循环寿命，目前传统的纳米结构技术无法从根本上解决这一问题。本文通过理论计算模拟了Bi在（去）合金化过程中的抗体积膨胀机制，揭示了（去）合金化过程中的不可逆相变是Bi负极结构退化的根本原因。并通过构筑刚性块体碳包覆纳米Bi颗粒的独特结构，利用块体碳产生的适当压应力诱发Bi晶体的“类多米诺骨牌”复原从而保持结构的显著稳定性。通过全面的原位TEM和原位XRD表征，首次可视化了Bi和Na3Bi之间的直接转化，并证明了由体积变化引起的应力和应变可以从铋纳米球转移到周围的碳。该研究对不良结构演变提供了新见解，并为合金型电极材料的抗降解结构设计提供了新思路和指导。

文章简介

近日，来自上海大学赵玉峰教授团队联合燕山大学王静教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表题为“Enable the Domino‐like Structural Recovering in Bismuth Anode to Achieve Fast and Durable Na/K Storages”的研究论文，报道了一种独特的块体颗粒结构，即在块状碳中镶嵌铋纳米球，以实现高首效，高体积容量和长循环寿命的快充钠/钾离子电池。理论计算发现，在没有外加应力的情况下，Bi的层状结构无法通过Na-Bi合金的脱钠实现可逆恢复。而构筑刚性内嵌结构可促进Bi和Na3Bi的直接转化，Bi颗粒外包覆的刚性碳结构可在充放电过程中施加应力，促进金属Bi层状结构的“多米诺骨牌式”复原。所获得的BiNC显示出了高体积容量（SIBs为823.1mAh·cm-3，PIBs为848.1mAh·cm-3）和初始库仑效率（SIBs为95.3%，PIBs为96.4%），以超高的循环稳定性（SIBs为15000个循环，每个循环只有0.0015%的降解）。本工作对合金型负极材料的循环过程中结构粉化提出了新的认识。