新型Bi0.67TaS2负极：晶格限域策略实现高达150 C的超快、稳定钠存储

第一作者：郝怡冉、徐恒越

通讯作者：黄富强*、秦鹏*

通讯单位：上海交通大学/中国科学院上海硅酸盐研究所

近年来，随着便携电子设备和电网储能的快速发展，对高能量密度、低成本与高安全储能技术的需求不断增长。钠离子电池凭借资源丰富、成本低廉，有望成为锂离子电池的极佳补充。受限于钠离子较大的离子半径，其扩散动力学过程缓慢，电极材料体积膨胀效应更加明显，致使钠离子电池的倍率和循环性能较差。因此，设计兼具高容量与快速充放电能力的新型电极材料尤为重要。

基于此，来自上海交通大学的黄富强教授和中国科学院上海硅酸盐研究所的秦鹏研究员团队，在Chemical Engineering Journal期刊上发表题为“Lattice-Confined Localized Alloying of Bi_0.67TaS₂ Anode Enabling Ultrafast and Stable Sodium Storage Up to 150 C”的研究论文。报导了一种新型负极材料Bi_0.67TaS₂，该材料通过晶格限域的局部合金化反应机制实现了超快、稳定的钠离子存储，为未来钠离子电池新型电极材料的发展提供了新思路。

研究人员将在Bi 原子嵌入刚性 Ta−S 层状框架中，提出了晶格限域的局域合金化反应机制。在Bi_0.67TaS₂ 结构中，Ta 原子与六个 S 原子键合形成共边 TaS6 棱柱，Bi 原子与两个 S 原子键合形成线性几何结构。其中 Bi 作为氧化还原中心，Ta−S 层作为刚性框架与快速离子/电子传输通道。该设计将放电过程中 Bi 的合金化反应限域在 Ta−S 层间，极大抑制了Bi的体积膨胀，充电脱钠后可逆恢复至原结构。密度泛函理论计算表明，相比单质Bi，Bi_0.67TaS₂ 具有高的钠离子吸附能和低的扩散能垒，有利于钠离子的快速吸附与扩散。 

图1. Bi_0.67TaS₂的晶格限域合金化反应示意图及密度泛函理论计算结果

要点二：电池性能与电化学性能

Bi_0.67TaS₂ 负极材料表现出优异的电化学性能，1 C下比容量为256 mAh g^–1， 150 C极高倍率下比容量仍能达到186 mAh g^–1；在150 C的超高倍率条件下循环20000次后比容量为153 mAh g^–1，容量保持率达94%。

图2. Bi_0.67TaS₂负极的半电池性能与电化学性能

要点三：反应机理分析

通过原位 X 射线衍射、原位拉曼光谱和非原位透射电子显微镜分析，研究人员发现在初始嵌钠过程中，Bi−S 键逐渐断裂，钠离子嵌入形成 Bi 和 NaxTaS₂。伴随钠离子的进一步嵌入，Bi−Na 键出现，形成 NaBi 和 Na₃Bi。在随后的脱钠过程中，钠离子从结构中脱出，Bi−S 键重建，恢复初始Bi_0.67TaS₂ 结构。刚性 Ta−S 框架的限域效应显著降低了 Bi 合金化过程中的体积膨胀，增强了结构稳定性。

图3. Bi_0.67TaS₂负极的反应机理分析

要点四：全电池性能

研究人员将 Bi_0.67TaS₂ 负极与 Na₃V₂(PO₄)₃ 正极组装成全电池，展现出 173.8 Wh kg^–1 的最大能量密度和 1396.3 W kg^–1 的最大功率密度。1 C循环 100 次后，全电池仍能保持 90.8 mAh g^–1 的容量，证明其在高功率输出条件下的优异稳定性。

图4. Bi_0.67TaS₂ || Na₃V₂(PO₄)₃ 全电池性能

研究人员设计合成了一种新型钠离子电池负极材料Bi_0.67TaS₂，利用其独特的晶格限域特性实现了超快、稳定钠离子存储，展现出优异倍率性能和循环稳定性，为高效快充钠离子电池电极材料的发展提供了一种有效手段。

黄富强 上海交通大学讲席教授，国家杰出青年科学基金获得者，担任中国化学会理事、中国化学会能源化学专业委员会主任。长期从事无机固体化学与能源材料与器件研究，在多功能复杂化合物设计理论、新材料制备与能源器件研发方面取得系统性原创成果。以第一/通讯作者在Science、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Phys.、Nat. Catal.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等期刊发表SCI论文600余篇，H因子90，他引超35000次，多次入选全球高被引科学家榜单；获授权发明专利120余项（国外15项）。主持科技委重点项目、国家重点研发计划、科技部973和863项目、基金委重大研究计划以及产业化等项目40余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖1项（2017年）、上海市自然科学一等奖2项（2016、2019年）。

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