杨诚团队在长寿命水系钠离子电池及负极复合材料的结构设计方面取得新进展

在追求更可靠、更经济的能源存储解决方案的过程中，人们对水系二次电池的兴趣正在快速增强。金属铋基水系钠离子电池因其在高安全、成本和比容量方面显著的优势，成为一种具有广阔发展前景的储能设备。然而，负极作为决定电池电化学性能的关键一环，铋基材料存在循环稳定性弱、容量衰减快等问题，这是由于金属铋的导电性较差，且在电池循环过程中会产生较大的体积膨胀甚至结构粉化。因此，探索一种有效的结构调控策略增强铋负极的抗粉化能力，对于提高以铋为代表的一类转化反应机制负极材料的循环稳定性具有重要意义。

近日，清华大学深圳国际研究生院杨诚团队提出通过紫外激光辐照诱导铋纳米粒子锚定于石墨烯纳米片层，瞬态加热冷却的反应条件有利于直接形成微纳复合结构。同时紫外光具备的驱动光化学反应特征实现了还原的纳米铋与激光诱导石墨烯之间发生增强的化学键合作用，制备出的金属铋-石墨烯复合材料作为水系钠离子电池负极实现了超长循环的电化学性能。

图1紫外激光诱导的Bi@LIG负极复合材料制备示意图及铋纳米颗粒的锚定

研究人员还通过引入常见的碳物理混合策略的对照样品Bi/GO，与本文提出的激光诱导的化学键增强的Bi@LIG在分子动力学模拟层面进行结构计算，得出了在逐步嵌入钠离子后不同状态下铋-铋金属键长以及对应的体积膨胀率，基于对两种形式的碳支撑纳米结构的综合分析，说明“镶嵌式”的金属铋-石墨烯复合结构有效地限制了充放电过程中产生的体积膨胀，在经历长循环后仍能保留结构的完整性（图2）。该项工作对利用激光脉冲沉积技术实现金属负极的普适化碳复合有着重要的借鉴意义。

图2不同结构的Na-Bi储能体系和电化学嵌入过程的分子动力学模拟

相关研究成果近日以“化学键增强的铋-石墨烯纳米片复合结构用于超长寿命的水系钠离子储存”（Inlaying Bismuth Nanoparticles on Graphene Nanosheets by Chemical Bond for Ultralong-Lifespan Aqueous Sodium Storage）为题发表在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院材料研究院杨诚副教授和博士后王方成（现为中科院深圳先进院助理研究员），第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级材料科学与工程专业博士生朱浩杰。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授，清华大学深圳国际研究生院2018级博士生彭露和博士后秦婷婷。该研究得到国家自然科学基金委、深圳市科创委、深圳盖姆石墨烯中心、清华大学深圳国际研究生院海外合作项目等支持。

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