解锁钠离子电池潜力：Bi/N-CNSs电极的高效倍率与低温耐受性

第一作者：贾建辉

通讯作者：杨春成*，蒋青*

单位：吉林大学

鉴于储量有限的锂、钴资源以及较差的低温性能，锂离子电池难以契合电动汽车和规模储能市场的长远需求。作为锂离子电池的潜在替代者，钠离子电池凭借其低成本、高可靠性和优良的低温性能而得到广泛关注。然而，尺寸较大的钠离子不仅在电极材料中扩散缓慢，而且在反复的嵌入/脱出过程中会引起材料结构坍塌，从而影响钠离子电池的实际应用。因此，亟需开发倍率、循环性能优异且低温耐受性出色的钠离子电池电极材料，以推动电动汽车和规模储能的全地域发展。金属Bi具有大层间距，高理论容量和适中的反应电位等优势，是一种极具潜力的储钠负极材料。然而，Bi在储钠过程中的体积变化剧烈，其倍率、循环稳定性和低温耐受性仍有待进一步提升。

近日，来自吉林大学的杨春成、蒋青教授课题组，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Scale Construction of ‘Breathing’ Bi/N-CNSs Quasi-Array Structure with Hierarchical Bi Distribution for Sodium-Ion Battery ”的研究文章。该工作提出了一种溶剂蒸干协同煅烧处理批量制备金属基复合材料的方法，并成功构筑了具有分级Bi分布的类阵列结构(Bi/N-CNSs)。交替排列的多孔Bi层/氮掺杂碳纳米片类阵列结构以及分级Bi分布充分缓冲了Bi在充放电过程中的体积膨胀，并提供了快速的离子/电子输运通道。搭配合适的电解液，Bi/N-CNSs表现出优异的储钠稳定性（5 A g^-1电流密度下持续循环26000圈的可逆容量为297 mAh g^-1）和倍率性能（100 A g^-1超大电流密度下的容量为337 mAh g^-1，容量保留率高达91.5%）。即便在-40 °C下，Bi/N-CNSs仍可以实现5 A g^-1大电流充放电。该工作为研发具有优异综合性能的钠离子电池负极材料提供了新思路。

通过简单的溶剂蒸干及后续煅烧两步制备了Bi/N-CNSs复合材料。其中，负载超小Bi颗粒的氮掺杂碳纳米片与多孔的金属Bi层交替排列，呈类阵列结构。

作为钠离子电池负极材料，Bi/N-CNSs复合材料表现出优异的倍率性能（100 A g^-1超大电流密度下的容量为337 mAh g^-1，容量保留率高达91.5%）以及突出的循环稳定性（在5 A g^-1电流密度下经过26000圈循环，可逆容量为297 mAh g^-1）。此外，该复合材料还具有优异的低温耐受性。即便在-40 °C的恶劣工况下，Bi/N-CNSs可以实现稳定循环（0.5 A g^-1电流密度下循环1000圈，容量保留率为71%）及高倍率充放电（5 A g^-1大电流密度下的容量为161 mAh g^-1）。

Bi/N-CNSs复合材料中的金属Bi颗粒呈现出尺寸与位置双分级的分布特征。其中，超小Bi颗粒（平均粒径8 nm）锚定在富缺陷氮掺杂碳纳米片上，尺寸稍大的Bi颗粒（粒径介于15~120 nm）夹于纳米片之间形成金属Bi层。该金属Bi层在循环过程中原位多孔化，而超小Bi颗粒基本维持稳定。在柔性碳纳米片和多孔Bi层的相互作用下，Bi/N-CNSs复合材料呈现出“呼吸式”特征的储钠过程。分级Bi分布（多孔Bi⁺超小Bi）缩短了离子输运距离，提高了高倍率下活性物质的利用率；“呼吸式”的类阵列结构构建了连续的导电和应力释放网络，确保了储钠稳定性。

Bi/N-CNSs复合材料在适配的电解液（NaPF6充当金属盐，DME为有机溶剂）中能够形成薄而稳定的SEI膜。该SEI膜主要由无机成分组成，梯度分布着力学性能优异的NaF和低Na⁺扩散势垒的Na₂CO₃。稳定且动力学性能优异的SEI膜为Bi/N-CNSs的循环稳定性和界面电荷传输提供了保障。

Scale Construction of “Breathing” Bi/N-CNSs Quasi-Array Structure with Hierarchical Bi Distribution for Sodium-Ion Battery, Nano Letters (online).