NML研究文章 | 新型钠离子电池负极—Bi2Se3/C纳米复合材料

【引言】

钠离子电池由于其原料丰富且价格低廉引起了人们的广泛关注。然而，高能密度负极材料的缺乏阻碍了SIBs的进一步发展。合金类负极材料，如Sn, Sb, Bi等与Na⁺形成的合金具有较高的理论电容比（>300mAh/g），远高于碳基和Ti基材料。但是，较大的体积膨胀是这些金属与Na⁺合金时的主要问题。而Bi与Na⁺合金时体积膨胀较小，因此各种Bi基化合物被用于储能研究。Bi₂Se₃具有较高的理论体积电容量（3667mAh/cm³）和本征导电性，Bi₂Se₃已被用于锂离子电池并表现出优异的电化学储能特性。然而，Bi₂Se₃用于SIBs负极材料的研究还未见报道。

本文亮点

1 研究了一种新型钠离子电池（SIBs）负极材料Bi₂Se₃。

2 详细研究了负极材料Bi₂Se₃的嵌钠-脱钠机制。

3 Bi₂Se₃/C纳米复合电极具有优异的循环稳定性。

内容简介

休斯顿大学的Shuo Chen和Yan Yao等人用简单的高能球磨法合成了Bi₂Se₃/C纳米复合材料。将其用于SIBs负极材料，表现出优异的循环性能和倍率性能：0.1 A/g下初始可逆容量高达527mAh/g；循环100次后仍能达到89%。该研究为进一步开发优异的SIBs负极材料提供了新思路和新方法。

图文导读

1 Bi₂Se₃和Bi₂Se₃/C结构和形貌

XRD图谱显示球磨Bi₂Se₃和Bi₂Se₃/C均为三斜晶系，用C球磨6小时后，Bi₂Se₃/C的峰变宽，表明形成了较小的纳米晶体。

SEM图和TEM图进一步显示，由于C的分离作用使得Bi₂Se₃/C纳米复合材料与纯Bi₂Se₃/相比，粒径更小。

2 Bi₂Se₃/C电极的电化学性能

CV曲线的良好重叠性表明Bi₂Se₃/C电极高度可逆的Na⁺存储动力学。

Bi₂Se₃和Bi₂Se₃/C的CV曲线具有相同的特征，这说明C的加入不影响Bi₂Se₃的硫化过程(见图a)。

图d表明Bi₂Se₃/C作为SIBs负极材料具有优良的倍率性能。

3 Bi₂Se₃/C和Bi₂Se₃电极的反应动力学

通过电化学阻抗（EIS）图谱揭示了Bi₂Se₃和Bi₂Se₃/C电极的反应动力学，Bi₂Se₃/C电极的Rct从661.4降至81.4Ω，而Bi₂Se₃电极在循环后Rct会增加；Bi₂Se₃电极的Rf增加了19.9Ω，这远高于Bi₂Se₃/C的6.8Ω。图b-d表明快电容过程发生在储Na⁺期间，从而使Bi₂Se₃/C电极具有较高额定容量。