【文章信息】
将铋纳米花状均匀分散锚定在氮掺杂碳网络框架中，提升钠离子电池电极材料的倍率及循环稳定性
第一作者：魏世伟 博士生
通讯作者：王孝广 教授
【研究背景】
金属铋由于其储量丰富，较高的理论比容量（386 mAh g-1）以及较合适的电压（~0.6 V）等优点，被认为是很有前景的钠离子电池负极材料之一。但是金属铋与钠反应后会产生较大的体积膨胀（≈244%），使电极材料从电极片上脱落造成容量衰减。提升金属铋性能的关键在于增强材料电导率并缓解反应过程中结构变化的体积膨胀。本文采用绿色清洁的制备方式，巧妙设计了一种金属铋的纳米花状结构，并将其均匀分散的锚定在氮掺杂碳框架中。将复合材料用于钠离子电池负极时，表现出较高的储钠电话学特性。
【研究亮点】
本文设计了一种新型的高性能钠离子电池负极材料Bi@NC。通过环保的方式合成出具有独特三维结构的氮掺杂碳框架，并将铋纳米化均匀牢固的分散在碳框架中。独特的三维复合电极结构呈现出多个明显的优势：（1）Bi纳米花粒子均匀分散的嵌入到具有较高N含量掺杂的碳多孔框架中，多孔碳框架对铋的包覆作用缓解了Bi负极材料在放电和充电过程中的巨大体积膨胀。（2）纳米花结构的活性材料Bi具有较大比表面积和活性位点，有助于增强电极材料与电解液的浸润性。同时，Bi@NC复合材料独特的三维多孔结构显著的缩短了钠离子的扩散路径，从而提高了Bi@NC复合材料用于SIB负极的比容量和倍率性能。（3）高含量的N掺杂到独特的三维碳框架网络中会引入缺陷位点，并在整个Bi@NC复合材料中重新分布N-C位点的电荷密度，提升Bi@NC电极的倍率性能。
【图文简介】
Figure 1. Schematic diagram of the preparation process for the Bi@NC.
Figure 2. Microstructure characterization of the samples. (a) Low and (b) high magnification SEM images of Bi2S3 precursor. (c) Low and (d) high magnification SEM images of Bi@NC sample. (e) TEM and (f) HRTEM image of Bi@NC sample. (g-j) The corresponding element mapping of C, N and Bi.
Figure 3. Electrochemical performance of the electrode. (a) Rate performance. (b) GCD profiles of the Bi@NC at 0.1 A g-1. (c) CV profiles at the scan rate of 0.1 mV s-1. (d) Long-term cycles of Bi@NC at current density of 10 A g-1. (e) Comparison with relevant reports
Figure 4. (a) CV profiles of Bi@NC electrode at various scan rates. (b) Log (i) vs log (v) at different scan rates. (c) EIS diagram (The inset shows the corresponding equivalent circuit). (d) The relationship plots of Z' versus ω-1/2 in the low-frequency region. (e) GITT curves of Bi and Bi@NC. (f) Sodium ions diffusion coefficient for Bi and Bi@NC.
Figure 5. Electrochemical performance of NVP//Bi@NC full-cell. (a) Schematic illustration. (b) GCD profiles of the NVP and Bi@NC at 0.1 A g-1. (c) GCD profiles of the full-cell at 0.1 A g-1. (d) CV profiles at 0.2 mV s-1. (e) Rate capability at 0.1-10 A g-1. (f) Long-term cycling stability at 5 A g-1 for 2000 cycles (Inset: the coin full-cell is able to drive an electric fan).
Figure 6. Sodium adsorption theoretical simulations. (a, b) Models used to calculate the adsorption energy of Bi atoms on the top of C and NC layer. (c, d) Models used to calculate the adsorption energy of Na atoms on the Bi@C and Bi@NC layer. (e-l) The top and side view of charge density differences for the corresponding structure. C, N, Bi and Na atoms are presented by brown, silver, purple and yellow balls, respectively.
【总结与展望】
氮掺杂碳框架锚定铋纳米花的复合材料在结构上有利于钠离子的快速嵌入/脱出，在碳框架的限制下可以改善铋电极的循环衰减问题，有效提升了电极材料的稳定性，使其在长循环过程中能够保持结构稳定。这项工作中复合材料的结构设计充分利用不同电极种类的优势，将碳材料和金属铋材料的优点结合发挥出来。为长寿命钠离子电池负极材料的合成提供了一种有效的方法和思路。
【文章链接】
Novel Bismuth Nanoflowers Encapsulated in N-Doped Carbon Frameworks as Superb Composite Anodes for High-Performance Sodium-Ion Batteries
https://doi.org/10.1002/smll.202304265
【课题组简介】
（王孝广，男，中共党员，1982年2月生，山东淄博人，2011年毕业于山东大学材料学院材料科学与工程专业，获工学博士学位。2011年起在太原理工大学参加工作，2014-2015年在Marie Curie COFUND Programme资助下于欧盟伊比利亚纳米技术实验室从事博士后研究工作，2017年入选山西省高等学校优秀青年学术带头人。以第一或通讯作者身份在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale, Chem. Commun.等材料及电化学领域知名学术期刊上发表论文 50 余篇（含 ESI 高被引论文 5 篇，一区论文 19 篇，总影响因子>200）；合作署名发表学术论文 20 余篇；截至目前被他引 2300 余次；H 因子为 35；以第一发明人授权国家发明专利 8 项。
