浙江直角硅碳棒密度：山东大学熊胜林AM

浙江直角硅碳棒密度：山东大学熊胜林AMFigure 2. FESEM images of intermediates by calcining Bi-MOF-Rod precursor at 350 °C under an argon flow for a b) 5 min c) 10 min d) 20 min e) 30 min f) 60 min and g-h) 2 h.Figure 1. a) Schematic illustration of the synthesis of Bi@C⊂CFs composite. FESEM (b-d) TEM (e-f) HRTEM (g) HAADF-STEM (h-j) images and STEM-EDX mappings (k-m) of Bi@C⊂CFs composite.目前已经报道了各种SIB的阴极，包括钠层氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化

近日，山东大学熊胜林团队在顶级期刊Advanced Materials上在线发表重要研究成果，报道了一种可以超快存储钠离子的电池材料——多孔碳负载的Bi@C纳米球。材料展现出前所未有的钠存储能力：高达80 A/g的超高速率容量和308.8 mAh/g的储钠容量。这不仅归功于独特的混合架构，还归功于在醚基电解质循环过程中产生均匀而薄的固体电解质界面层和形成均匀的多孔纳米结构。同时，研究人员阐明了对性能改进的根本原因的更深入理解，为应用sib提供了理论基础。

【研究概要】

钠离子电池(SIB)因其丰富的储量和低廉的成本而成为一种替代技术。然而，实现它们的真正应用仍然是一个艰巨的挑战。一个是，在阳极材料的局限性中，合金候选材料容忍在循环过程中的快速容量衰退。本研究团队首先以铋基金属有机骨架纳米棒作为SIB的负极材料，合成了一种由碳纳米带阵列组装而成的三维骨架结构。由于独特的结构优势，阳极设计在大容量、良好的循环稳定性、高达80 A/g的超高速率和308.8 mAh/g的存钠容量。将电流阳极与苝-3 4 9 10-四羧基二氢化物阴极配对，可获得能量密度高达129wh /kg的完整电池。这种前所未有的钠存储能力不仅归功于独特的混合架构，还归功于在醚基电解质循环过程中产生均匀而薄的固体电解质界面层和形成均匀的多孔纳米结构。同时，研究人员阐明了对性能改进的根本原因的更深入理解，为应用sib提供了理论基础。

【研究背景】

目前已经报道了各种SIB的阴极，包括钠层氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化合物。主要的挑战主要是缺乏成对的阳极材料，不能同时提供中等电压平台、高容量、显著的速率性能和长期的循环寿命。中压平台和高容量与元素组成有关，而速率性能和循环稳定性主要取决于材料的电子导电性、结构稳定性。合金材料具有良好的氧化还原反应势和较高的能量密度，是很有前途的阳极材料。其中，铋(Bi)因其高的电子/离子电导率、适当的反应电位和理论比容量(386 mAh g−1)等在钠存储方面的众多优势，作为具有代表性的有前途的阳极之一而备受关注。尽管如此，随着Bi向Na3Bi合金过程中体积的变化(≈244%)，活性材料与捕收剂失去了接触，导致固体电解质界面(SEI)不稳定，容量维持能力差。

在这里，研究人员首先合成了一个三维(3D)多孔硬碳框架上层结构，由二维(2D)超薄碳纳米带阵列组装，包括一些金属Bi纳米球涂层碳层(表示为Bi@C⊂CFs)，通过一维(1D) MOF纳米棒的一步热分解。

【图文解析】

Figure 1. a) Schematic illustration of the synthesis of Bi@C⊂CFs composite. FESEM (b-d) TEM (e-f) HRTEM (g) HAADF-STEM (h-j) images and STEM-EDX mappings (k-m) of Bi@C⊂CFs composite.

Figure 2. FESEM images of intermediates by calcining Bi-MOF-Rod precursor at 350 °C under an argon flow for a b) 5 min c) 10 min d) 20 min e) 30 min f) 60 min and g-h) 2 h.

Figure 3. Electrochemical performance of the Bi@C⊂CFs electrode.

Figure 4. a-d) FESEM images of the Bi@C⊂CFs electrode after 1 10 50 and 100 cycles. e) Schematic illustration of morphological evolution of the Bi@C⊂CFs electrode during cycling. f) Adsorption model of DME molecule on Bi (012) surface. The charge density difference of g) Bi/G and h) Bi where the yellow and blue stand for electron accumulation and depletion respectively. i) The diagrams of sodium migration path on Bi-graphene interface. j) The migration energy barriers in Bi-graphene interface and pure Bi..

Figure 5. HRTEM images of the Bi@C⊂CFs electrodes after 20 cycles in DME-based (a) and EC/DEC-based (e) electrolytes. High-resolution XPS spectra of b) O 1s c) C 1s and d) F 1s for Bi@C⊂CFs in the DME-based electrolyte after cycles. High-resolution XPS spectra of f) O 1s g) C 1s and h) F 1s for Bi@C⊂CFs in the EC/DEC-based electrolyte after cycles. HOMO and LUMO energy levels of solvent and salt: i) NaPF6 and DME in DME electrolyte j) NaPF6 EC and DEC in EC/DEC electrolyte.

Figure 6. a) The curve and in situ XRD patterns collected during galvanostatic charge/discharge and the amplified XRD pattern of the main peaks of Bi and NaBi in the Bi@C⊂CFs electrode. b) Schematic illustration of the alloying/dealloying mechanism of Bi

【文章信息】

Liang Y. Song N. Zhang Z. Chen W. Feng J. Xi B. and Xiong S. (2022) Integrating Bi@C Nanospheres in Porous Hard Carbon Frameworks for Ultrafast Sodium Storage. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2202673. https://doi.org/10.1002/adma.202202673

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