金属有机框架衍生的Bi@NC复合材料用于高性能钠离子电池

合金型负极材料Bi因其合适的脱嵌钠平台和较高的理论容量，被视为一种极具前景的钠离子电池负极材料。但是由于其在合金化的过程中面临着严重的体积膨胀，导致材料的破碎和粉化，使其容量迅速衰减。纳米工程和复合材料被视为解决上述问题的有效方法。另一方面，金属有机框架材料（MOFs）是一类多孔无机-有机杂化材料，具有比表面积大，结构可控，孔径可调等优点，广泛的应用于催化、气体分离/储存、传感器、能源存储等领域。以MOFs为前驱体可制备碳包覆且纳米粒子均匀分散的功能复合材料，从而有效地提高其电化学性能。

近日，福州大学魏明灯教授（点击查看介绍）课题组以铋基金属有机框架材料为前驱体，通过简单的煅烧得到了氮掺杂的碳包覆的Bi纳米粒子(Bi@NC)复合材料，并将其应用于钠离子电池负极。研究发现，受益于Bi纳米粒子和氮掺杂碳基底的协同效应，有效地缩短了钠离子/电子的转移路径，确保了快速的动力学过程，同时，抑制了充放电过程中的体积膨胀，从而获得了优异的循环性能。在2 A g^-1的电流密度下经过5000次循环后，Bi@NC复合材料仍然保留有326.9 mA h g^-1的比容量 (图1)。

图1. Bi@NC复合材料的合成示意图及其电化学性能图。

进一步，通过原位XRD测试探究了Bi@NC复合材料在充放电过程中的钠化机理。测试结果显示，Bi@NC电极经历了Bi↔NaBi↔Na₃Bi的可逆的脱嵌钠过程。而DFT计算表明，Bi的 (110) 面的最优扩散路径的能垒低于其 (104) 面，表明Na⁺优先倾向于在Bi的 (110) 面进行扩散(图2)。

图2 原位XRD测试图及DFT计算图。

这一成果近期发表在J. Mater. Chem. A上，第一作者为福州大学的博士研究生陈琳。

该成果近期发表在Journal of Materials Chemistry A 上。

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N-Doped carbon encapsulating Bi nanoparticles derived from metal–organic frameworks for high-performance sodium-ion batteries

Lin Chen, Xiaojie He, Huimin Chen, Shuping Huang, Mingdeng Wei

J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 22048-22055, DOI: 10.1039/d1ta06558k

导师介绍

魏明灯

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