醚类电解液协同提升金属铋的储钠性能

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

随着电动汽车、智能电网及大规模储能时代的到来，人们对可再生能源的需求迅速增长。低成本、高效的能源存储与转换是可再生能源充分利用的前提。由于钠资源丰富且成本低，钠离子电池受到人们的广泛关注。然而，钠离子半径大，导致其脱嵌过程电极材料的体积效应显著，致使电池性能衰减。高效、稳定的电极材料是钠离子电池发展的关键。

近日，南开大学李福军研究员团队通过负极材料金属铋与醚类电解液的配合使用，大幅度提升了钠离子电池的综合性能，实现了负极材料的重要突破。电极材料及与之匹配的电解液直接影响电池的比容量、循环寿命和倍率性能等。近年来，钠离子电池正极材料的发展迅速，取得了一定的进展。然而，广泛用作锂离子电池负极的石墨由于具有较低的反应电位，易带来枝晶问题。金属单质和合金不仅比容量高，且具有合适的电压平台和良好的电子导电性，由此成为目前研究的热点。但在酯类电解液中，材料充放电时产生明显的体积变化，致使材料膨胀和粉化，容量快速衰减。南开大学的研究团队利用商业化块状的金属铋与乙二醇二甲醚电解液的协同作用获得了极其稳定的电化学性能。他们发现，一系列的醚类电解液对电极材料都具有很好的浸润性，这一点正是金属铋能够充分反应的关键。同时，在使用醚类电解液进行充放电循环后，这种块状的金属铋逐渐转变为一种稳定的三维多孔网络结构；但在酯类电解液中，金属铋迅速膨胀、粉化。这种独特的三维多孔网络结构不仅能够容纳金属铋充放电过程的体积变化，还能为电子、离子的快速传输提供保证。另一方面，在醚类电解液的作用下，铋表面能够形成薄而高稳定的SEI膜，大大提高了电池的效率和稳定性。

在醚类电解液的协同作用下，金属铋的首圈库仑效率可高达94.8%。在400 mA•g^-1的电流密度下，金属铋的比容量保持在387 mAh•g^-1左右，且经过2000次的充放电循环后，容量保持率为94.4%。在金属铋与醚类电解液的协同作用下，钠离子电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能，为探寻稳定的钠离子电池负极提供了新的思路。

该工作近期发表于Advanced Materials，文章的共同第一作者是南开大学的硕士生王晨晨和博士生王刘彬。

该论文作者为：Chenchen Wang, Liubin Wang, Fujun Li, Fangyi Cheng, Jun Chen

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Bulk Bismuth as a High-Capacity and Ultralong Cycle-Life Anode for Sodium-Ion Batteries by Coupling with Glyme-Based Electrolytes

Adv. Mater., 2017, 29, 1702212, DOI: 10.1002/adma.201702212

李福军博士简介

李福军，南开大学特聘研究员，博士生导师，2011年于香港大学毕业取得博士学位，2012至2015年先后在东京大学、日本产业技术综合研究所工作，2015年9月起就职于南开大学。

李福军的主要研究方向包括功能纳米材料、先进电池材料、金属空气电池等；迄今为止，以第一或通讯作者发表SCI论文25篇，包括Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Letters、Adv. Funct. Mater. 等，研究成果曾被Science、Nature Mater. 等正面评价、引用并被MaterialsViewChina等进行专题报道。

科研思路分析

Q：这项研究的想法是如何产生的？

A：钠离子电池的正极发展迅速，已有的正极材料表现出良好的稳定性和倍率性能。然而，负极材料成了为钠离子电池发展的瓶颈，严重阻碍了钠离子电池的应用。寻找高能量密度、高倍率性能和循环稳定性的负极材料是钠离子电池研究的关键。众所周知，金属类材料的高能量密度和优良的电导性是其他类型的材料无法媲美的。基于此，我们团队利用金属铋作为钠离子电池负极材料开展研究。我们发现，在酯类电解液中，金属铋颗粒在充放电后膨胀、粉化，导致循环性能衰减。但是，在醚类电解液中，金属铋表现出优异的稳定性。进一步的电化学性能测试证明，在醚类电解液的协同作用下，块状金属铋在循环后可形成特殊的三维多孔网络结构，使电池循环的稳定性和倍率性能都得到了很大程度的提升。

Q：该研究的意义是什么？

A：该研究采用商业化的块状金属铋和醚类电解液，取得了优异的钠离子电池负极性能，将简化钠离子电池在材料制备方面的工艺，降低材料的生产难度和能耗，非常具有实用价值。另外，我们团队从电极材料与电解液的匹配性出发，提升了电池的性能，为高性能电池材料的开发提供了新思路。这一发现对钠离子电池的实用化具有重要意义。