近日，吉林大学材料科学与工程学院蒋青、杨春成教授在金属基复合材料的电化学储能应用领域取得了新进展。研究成果以“Scale Construction of ²Breathing² Bi/N-CNSs Quasi-Array Structure with Hierarchical Bi Distribution for Sodium-Ion Battery”为题，于2024年9月4日在线发表在《Nano Letters》上。

作为锂离子电池的潜在替代者，钠离子电池凭借其低成本、高可靠性和优良的低温性能而得到广泛关注，有望在电动汽车和规模储能领域大展拳脚。然而，目前仍缺少倍率、循环性能优异且低温耐受性出色的钠离子电池负极材料。金属Bi具有大层间距，高理论容量和适中的反应电位等优势，是一种极具潜力的储钠负极材料。然而，Bi在储钠过程中的体积变化剧烈，其倍率、循环稳定性和低温耐受性仍有待进一步提升。

针对上述问题，本研究提出了一种溶剂蒸干协同煅烧处理批量制备金属基复合材料的方法，并成功构筑了具有分级Bi分布的类阵列结构(Bi/N-CNSs)。这种交替排列的多孔Bi层/氮掺杂碳纳米片类阵列结构以及分级Bi分布充分缓冲了Bi在充放电过程中的体积膨胀，并提供了快速的离子/电子输运通道。

图1. Bi/N-CNSs复合材料的微观结构及其分级Bi分布特征

  分级Bi分布（多孔Bi和超小Bi）缩短了离子输运距离，提高了高倍率下活性物质的利用率；“呼吸式”的类阵列结构构建了连续的导电和应力释放网络，确保了储钠稳定性。得益于上述优势，Bi/N-CNSs复合材料展现出优异的倍率性能（100 A g^-1超大电流密度下的容量为337 mAh g^-1，容量保留率高达91.5%）以及突出的循环稳定性（在5 A g^-1电流密度下经过26000圈循环，可逆容量为297 mAh g^-1）。此外，该复合材料还具有优异的低温耐受性。即便在-40 °C的恶劣工况下，Bi/N-CNSs仍可以实现稳定循环（0.5 A g^-1电流密度下循环1000圈，容量保留率为71%）及高倍率充放电（5 A g^-1大电流密度下的容量为161 mAh g^-1）。

图2. Bi/N-CNSs复合材料的室温和低温储钠性能

论文详情：Jian Hui Jia, Jie Bai, Chun Cheng Yang,* and Qing Jiang* Scale Construction of ²Breathing² Bi/N-CNSs Quasi-Array Structure with Hierarchical Bi Distribution for Sodium-Ion Battery, Nano Letters (online).

论文全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01958