近日，太阳集团1088vip李宏岩老師課題組在國際著名期刊Advanced Functional Materials（影響因子為19）上發表了題為“Fast and Long-Lasting Potassium-Ion Storage Enabled by Rationally Engineering Strain-Relaxation Bi/Bi2O3 Nanodots Embedded in Carbon Sheets”的重要研究成果，揭示了合理設計應變-松弛結構對于實現高倍率和長壽命的鉀離子電池具有重要作用。太阳集团app首页為第一通訊單位。
鉀離子電池的發展為未來高效、低成本儲能提供了備選之路。然而，鉀離子的較大離子半徑會引起循環過程中電極材料的體積變化和緩慢的反應動力學，從而導緻低倍率性能和快速的容量衰減。基于此，我們首次設計并合成了一種具有應變松弛結構的Bi/Bi2O3 NDs@CSs，通過引入适量的Bi2O3組分來優化Bi/Bi2O3納米點結構，并與碳材料進行複合，從而顯著提高鉀離子的存儲性能。應變松弛結構可起到有效緩沖體積膨脹、緩解應力和應變的作用。此外，Bi2O3的引入不僅促進了鉀離子的吸附，在循環過程中轉化為Bi，而且對Bi金屬起到保護和緩沖作用，防止了結構斷裂，提高了循環性能。外部碳片進一步加速離子/電子傳導，增強結構的穩定性。Bi/Bi2O3NDs@CSs作為鉀離子電池負極材料，可以在60 A g-1下實現149.3 mAh g-1的優異倍率性能，在5 A g-1下循環1800次仍具有95%的容量保持率。
為了明晰電極材料在充放電過程中的微觀結構演變，我們通過原位透射電鏡和原位X射線衍射對Bi/Bi2O3 NDs@CSs材料進行實時監測。鉀化過程中，鉀離子開始進入Bi/Bi2O3 NDs@CSs，會産生明顯的體積膨脹，随着鉀離子的不斷嵌入，材料逐漸發生轉化和合金化反應并經曆了體積變化，而外部碳片仍然緊緊地覆蓋在K-Bi合金化産物的表面，并随着膨脹形狀的變化而變化。而對于充電過程，鉀離子逐漸從K-Bi合金中脫出，直至Bi和Bi2O3的重現，且Bi/Bi2O3 NDs@CSs的體積逐漸回縮，表明可逆的合金/脫合金化反應。
利用密度泛函理論進行模拟，分析發現：Bi（012）在所有模型上的吸附能都低于Bi2O3（201）的吸附能，這歸因于Bi2O3（201）表面上Bi原子與O原子之間存在的離子鍵。從擴散遷移的角度來看，鉀可以在Bi的表面快速擴散，這得益于金屬性質造成的0.36 eV的小擴散勢壘。由上述分析可知，鉀在金屬Bi表面的擴散速率較高，但吸附能較低會影響鉀存儲容量；Bi2O3可以大大提高K的吸附能，但擴散速率相對較低，這意味着Bi2O3可能具有緩沖和保護作用，從而可以減輕Bi的體積膨脹。因此，Bi和Bi2O3的合理複合設計，可充分發揮其優良性能，有利于鉀的儲存特性。為了深入了解反應過程，進一步對合金化過程中的遷移進行理論模拟，發現鉀在Bi、KBi2和 K3Bi結構上進行遷移，而相關的遷移勢壘随着合金化反應的進行呈下降趨勢，分别為Bi（0.38 eV）、KBi2（0.30 eV）和K3Bi（0.22 eV）。這種現象很好地表明Bi/Bi2O3 NDs@CSs複合材料在合金化過程中具有高的鉀遷移率，并且可以保持電極穩定性，這與實驗結果相一緻。
該工作得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和廣東省功能配位超分子材料及應用重點實驗室開放基金的資助以及廈門大學張橋保教授的支持。自入職暨大以來，李宏岩課題組始終圍繞在鉀離子電池關鍵材料的設計和可控制備，已在Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, Small Methods, Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J.,等國際知名學術期刊上發表30餘篇論文，授權專利8件。
【文章鍊接】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307205
文/圖：李宏岩
校對：劉雪
責編：李逸凡
初審：陳填烽
終審：李丹
