苏科大刘波教授团队：铋锡双金属纳米粒子原位锚定的碳纳米纤维膜用于镁离子电池柔性自支撑负极

第一作者：潘少卿，程淼

通讯作者：程淼，李宛飞，刘波

单位：苏州科技大学材料科学与工程学院

随着柔性电子设备的蓬勃发展，探索开发高性能的柔性储能系统愈发关键。其中，柔性锂离子电池在柔性电子和可穿戴设备的实际应用中已经取得了重大进展，然而，有限锂资源导致的高成本和不可控锂枝晶形成导致的安全风险对其进一步开发和应用构成了挑战。因此，迫切需要开发具有高天然丰度、低成本和高安全性的替代电池系统。可充电镁离子电池有望成为锂基电池系统的可靠替代品，因为镁资源丰富且成本低廉，理论比容量高，具有合适的还原电位，在电化学沉积/溶解过程中不会形成树枝状晶体，具有高操作安全性。然而关于镁离子电池柔性电极材料的研究极少。近年来，静电纺丝被公认为是制造3D多孔膜的最方便、最具成本效益和行业可行性的技术之一，越来越多的研究人员正专注于将电纺纳米纤维基复合材料用作柔性电极。

本文利用静电纺丝和原位热还原的方法制备了一种负载双金属Bi-Sn纳米粒子的柔性薄膜（CNF@Bi-Sn），并将其作为自支撑合金负极应用于镁离子电池，探究了所制备自支撑电极材料的电化学性能，并揭示了电极材料在循环过程中的结构演变和储镁机制。

静电纺丝和原位热还原的方法制备了一种负载双金属Bi-Sn纳米粒子的柔性薄膜（CNF@Bi-Sn），其表现出良好的柔性，可以承受各种形变（弯曲、扭曲、折叠等）。在组装电池过程中没有使用集流体、导电剂和粘结剂等。通过SEM和TEM可以看出Bi-Sn纳米颗粒均匀分布在碳纳米纤维中。

CNF@Bi-Sn具有738 mAh g^-1的高初始比容量，经过不同倍率循环后，其放电比容量可恢复到214 mAh g^-1，证明了CNF@Bi-Sn电极具有良好的倍率性能。并且在40 mA g^-1的电流密度下100次循环后仍能保持150 mAh g^-1的较高可逆容量。

通过非原位SEM、TEM和XRD等表征方法对CNF@Bi-Sn在镁化/去镁化过程中的形貌和结构演变进行了研究。TEM证明了CNF@Bi-Sn电极在完全放电（嵌镁）和充电（脱镁）后，Bi-Sn纳米颗粒仍然被很好地包裹并均匀地分散在碳纳米纤维中，这有效缓解了它们在合金化过程中体积变化并防止了活性材料的损失。EDS结果表明，在放电状态Bi、Sn和Mg元素在碳基质中均匀分布，非原位XRD也证实了CNF@Bi-Sn电极的储镁机理是基于可逆的两相合金化/去合金化转变反应。

Bimetallic Bi-Sn nanoparticles in-situ anchored in carbon nanofiber as flexible self-supporting anode toward advanced magnesium ion batteries

刘波博士，二级教授，国家纳米重大科学研究计划（973）项目首席科学家，苏州科技大学纳米光电材料与微结构研究中心主任。主要从事信息存储材料与器件、新能源材料与器件、传感器材料与器件方面的研究。发表SCI论文279篇，H-index 36，授权发明专利137项。参与《大辞海》、《中国材料工程大典》等五部著作编写。荣获上海市技术发明二等奖，首届上海市知识产权创新奖专利商标二等奖，中国电子学会技术发明三等奖，江苏省双创人才、江苏省333工程第二层次培养对象（中青年领军人才）等荣誉。

李宛飞，教授。主要研究方向为锂电池、可充镁电池关键材料与技术。主持国家自然科学基金以及企业横向合作项目近二十项。已在Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表文章百余篇，获得中国发明授权专利20项，美国发明专利1项。

程淼博士，副教授。主要从事电化学储能材料与器件、天然高分子材料的改性合成与功能化应用的研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目等项目。发表SCI论文六十余篇，授权国家发明专利十余项。