导语
金属铋（Bi）因其合适的氧化还原电位、大的理论容量和优异的电子传导性而被认为是一种极具潜力的钾离子电池负极材料。但是Bi负极在充放电过程中缓慢的电化学反应动力学和较大的体积变化，严重阻碍了其实际应用。近日，温州大学李林特聘教授和侴术雷教授、深圳大学轷喆教授、南开大学赵庆研究员通过将Bi纳米颗粒均匀嵌入碳骨架中，并利用电解液优化的策略在该领域取得了重要进展，相关成果发表在Chemical Science（DOI: 10.1039/d2sc04217g）。
前沿科研成果
嵌在碳骨架中的铋纳米颗粒作为高功率密度钾离子电池的负极材料
金属Bi作为一种新型的钾离子电池负极材料具有较大的理论容量和理想的氧化还原电位。然而其在充放电过程中体积变化巨大，且电化学反应动力学迟缓，始终阻碍着Bi基负极材料更近一步的应用。各种性能优化策略，如纳米结构设计、与其他金属的合金化、与碳材料复合和电解质优化等，均被已被应用于改善Bi基负极材料的电化学性能。例如，Li等人通过使用醚基电解质代替传统的酯基电解质，成功提高了商业Bi负极的循环稳定性（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57 4687-4691.）。Qiao等人构筑了双壳纳米Bi结构，并进行了碳涂层包覆，可逆容量在200次循环后超过200 mAh g−1（Matter, 2019, 1, 1681-1693.）。上述研究尽管取得了不错的进展，但还有待进一步的提升以推动其在PIB中的应用。因此，作者通过结合纳米结构设计和电极液优化实现Bi负极在高功率密度PIB中的应用。
图1. Bi@C复合材料的结构表征（来源：Chem. Sci.）
作者使用柠檬酸铋作为前驱体，通过简单的一步碳化法，将Bi纳米颗粒均匀嵌入碳骨架中，制得Bi@C复合材料（图1）。
图2. Bi@C复合材料的电化学性能测试（来源：Chem. Sci.）
作者发现在优化的醚基电解液中（1 M KPF6/DEGDME），Bi@C复合材料展现出良好的电化学性能，即使在 10.0 A g-1的高电流密度下仍具有 244.3 mAh g-1的可逆容量，200次循环后的可逆容量为255.6 mAh g-1（图2）。同时作者通过电化学性能测试和第一性原理计算，证明Bi@C复合材料具有出色的储钾动力学。
图3. Bi@C复合材料的原位X射线衍射测试（来源：Chem. Sci.）
作者还通过原位X射线衍射研究了Bi@C复合材料的可逆钾储存机制（图3）。如图4所示，由 Bi@C复合材料负极和镍铁普鲁士蓝正极组装而成的钾离子全电池表现出高放电电压（3.18 V）、高的功率密度（>10 kW kg-1）和优异的循环稳定性（100 次循环后的容量保持率为 87.8%）。
图4. Bi@C//镍铁普鲁士蓝全电池电化学性能测试（来源：Chem. Sci.）
综上，作者通过简单的一步碳化方法制备了Bi@C复合材料，采用电解液优化策略进一步改善了其电化学性能，在此基础上与镍铁普鲁士蓝正极组成全电池，实现超高功率密度钾离子电池的构建，该策略为组装高功率钾离子全电池提供了一种新思路。
这一成果近日发表于Chem. Sci.上，温州大学李林特聘教授和侴术雷教授、深圳大学轷喆教授、南开大学赵庆研究员为共同通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金（51971124和52171217）的资助。
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温州大学李林特聘教授简介
李林，温州大学瓯江特聘教授，温州大学碳中和技术创新研究院院长助理，并担任Wiley 出版集团国际术期刊Battery Energy编辑部主任和Carbon Neutralization青年编委。主要从事钠离子电池、钾离子电池关键电极材料和电解液的研发，目前已发表SCI 论文40余篇，其中高被引论文8 篇，热点论文1 篇，总被引2500余次，H-index 为22（数据来源：Google Scholar）；以第一作者/共同第一作者/通讯作者身份在国内外权威学术期刊发表论文10 篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Joule、Chem. Sci.（4篇）、Small、J. Energy Chem.和Cell Rep. Phys. Sci. （2篇）。申请国家发明专利4项，获得授权专利1项，并受邀担任J. Energy Chem.、Energy Sci. Eng.、eScience、RSC Adv.等期刊审稿人。
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深圳大学轷喆特聘教授简介
轷喆，深圳大学材料学院特聘教授，海外优青。入选2021年Clarivate全球高被引科学家（交叉领域）；获得2020 年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（R5）。在 Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等 SCI 期刊发表第一/通讯作者论文16篇，共同作者论文60 余篇，发表论文被引9400余次，H因子46。其中多篇被选为ESI高被引文章。从事高性能锂/钠/锌离子电池关键电极材料制备和电极反应机制、动力学研究。课题组具备优异的实验条件及国内外合作基础，长期招聘相关方向博士后，联系方式huzhe@szu.edu.cn。
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