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在追求更可靠、更經(jīng)濟(jì)的能源存儲解決方案的過程中，人們對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，成為一種具有廣闊發(fā)展前景的儲能設(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、容量衰減快等問題，這是由于金屬鉍的導(dǎo)電性較差，且在電池循環(huán)過程中會產(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，對于提高以鉍為代表的一類轉(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)深圳國際研究生院楊誠副教授團(tuán)隊(duì)提出通過紫外激光輻照誘導(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

研究人員還通過引入常見的碳物理混合策略的對照樣品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-鉍金屬鍵長以及對應(yīng)的體積膨脹率，基于對兩種形式的碳支撐納米結(jié)構(gòu)的綜合分析，說明“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程中產(chǎn)生的體積膨脹，在經(jīng)歷長循環(huán)后仍能保留結(jié)構(gòu)的完整性（圖2）。該研究對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儲能體系和電化學(xué)嵌入過程的分子動力學(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)用于超長壽命的水系鈉離子儲存”（Inlaying Bismuth Nanoparticles on Graphene Nanosheets by Chemical Bond for Ultralong-Lifespan Aqueous Sodium Storage）為題發(fā)表在國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。

本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院材料研究院楊誠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)深圳國際研究生院2020級材料科學(xué)與工程專業(yè)博士生朱浩杰。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授，清華大學(xué)深圳國際研究生院2018級博士生彭露和博士后秦婷婷。該研究得到國家自然科學(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)深圳國際研究生院海外合作項(xiàng)目等支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202212439

參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/100103.htm