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        楊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)壽命水系鈉離子電池及負(fù)極復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展


        來(lái)源:清華大學(xué)深圳研究生院

        [導(dǎo)讀]  近日,清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)紫外激光輻照誘導(dǎo)鉍納米粒子錨定于石墨烯納米片層,瞬態(tài)加熱冷卻的反應(yīng)條件有利于直接形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。同時(shí)紫外光具備的驅(qū)動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)特征實(shí)現(xiàn)了還原的納米鉍與激光誘導(dǎo)石墨烯之間發(fā)生增強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用,制備出的金屬鉍-石墨烯復(fù)合材料作為水系鈉離子電池負(fù)極實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)循環(huán)的電化學(xué)性能。

        中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在追求更可靠、更經(jīng)濟(jì)的能源存儲(chǔ)解決方案的過(guò)程中,人們對(duì)水系二次電池的興趣正在快速增強(qiáng)。金屬鉍基水系鈉離子電池因其在高安全、成本和比容量方面顯著的優(yōu)勢(shì),成為一種具有廣闊發(fā)展前景的儲(chǔ)能設(shè)備。然而,負(fù)極作為決定電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵一環(huán),鉍基材料存在循環(huán)穩(wěn)定性弱、容量衰減快等問(wèn)題,這是由于金屬鉍的導(dǎo)電性較差,且在電池循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹甚至結(jié)構(gòu)粉化。因此,探索一種有效的結(jié)構(gòu)調(diào)控策略增強(qiáng)鉍負(fù)極的抗粉化能力,對(duì)于提高以鉍為代表的一類(lèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性具有重要意義。


        近日,清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)紫外激光輻照誘導(dǎo)鉍納米粒子錨定于石墨烯納米片層,瞬態(tài)加熱冷卻的反應(yīng)條件有利于直接形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。同時(shí)紫外光具備的驅(qū)動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)特征實(shí)現(xiàn)了還原的納米鉍與激光誘導(dǎo)石墨烯之間發(fā)生增強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用,制備出的金屬鉍-石墨烯復(fù)合材料作為水系鈉離子電池負(fù)極實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)循環(huán)的電化學(xué)性能。


        圖1紫外激光誘導(dǎo)的Bi@LIG負(fù)極復(fù)合材料制備示意圖及鉍納米顆粒的錨定


        研究人員還通過(guò)引入常見(jiàn)的碳物理混合策略的對(duì)照樣品Bi/GO,與本文提出的激光誘導(dǎo)的化學(xué)鍵增強(qiáng)的Bi@LIG在分子動(dòng)力學(xué)模擬層面進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,得出了在逐步嵌入鈉離子后不同狀態(tài)下鉍-鉍金屬鍵長(zhǎng)以及對(duì)應(yīng)的體積膨脹率,基于對(duì)兩種形式的碳支撐納米結(jié)構(gòu)的綜合分析,說(shuō)明“鑲嵌式”的金屬鉍-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)有效地限制了充放電過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹,在經(jīng)歷長(zhǎng)循環(huán)后仍能保留結(jié)構(gòu)的完整性(圖2)。該項(xiàng)工作對(duì)利用激光脈沖沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬負(fù)極的普適化碳復(fù)合有著重要的借鑒意義。


        圖2不同結(jié)構(gòu)的Na-Bi儲(chǔ)能體系和電化學(xué)嵌入過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬


        相關(guān)研究成果近日以“化學(xué)鍵增強(qiáng)的鉍-石墨烯納米片復(fù)合結(jié)構(gòu)用于超長(zhǎng)壽命的水系鈉離子儲(chǔ)存”(Inlaying Bismuth Nanoparticles on Graphene Nanosheets by Chemical Bond for Ultralong-Lifespan Aqueous Sodium Storage)為題發(fā)表在國(guó)際期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院楊誠(chéng)副教授和博士后王方成(現(xiàn)為中科院深圳先進(jìn)院助理研究員),第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)博士生朱浩杰。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院康飛宇教授,清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)博士生彭露和博士后秦婷婷。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳蓋姆石墨烯中心、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海外合作項(xiàng)目等支持。


        (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正)

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