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更新時(shí)間：2025-06-16
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Chemical Engineering Journal
第一作者：程淼 潘少卿 通訊作者：劉波文章名稱：《Bimetallic Bi–Sn nanoparticles in-situ anchored in carbon nanofiber as flexible self-supporting anode toward advanced magnesium ion batteries》影響因子：13.4
劉波老師是蘇州科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，研究員，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所兼職研究員，齊魯工業(yè)大學(xué)客座教授。主要從事納米光電材料與器件相關(guān)研究工作。負(fù)責(zé)和參與科研項(xiàng)目包括國(guó)家納米重大科學(xué)研究計(jì)劃（973）等合計(jì)60余項(xiàng)；已發(fā)表期刊論文317篇（SCI論文230篇）。
隨著柔性電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，探索開發(fā)高性能的柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)愈發(fā)關(guān)鍵。其中，柔性鋰離子電池在柔性電子和可穿戴設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，然而，有限鋰資源導(dǎo)致的高成本和不可控鋰枝晶形成導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)其進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)具有高天然豐度、低成本和高安全性的替代電池系統(tǒng)?？沙潆婃V離子電池有望成為鋰基電池系統(tǒng)的可靠替代品，因?yàn)殒V資源豐富且成本低廉，理論比容量高，具有合適的還原電位，在電化學(xué)沉積/溶解過(guò)程中不會(huì)形成樹枝狀晶體，具有高操作安全性。然而關(guān)于鎂離子電池柔性電極材料的研究極少。近年來(lái)，靜電紡絲被認(rèn)為是制造3D多孔膜的方便、具成本效益和行業(yè)可行性的技術(shù)之一，越來(lái)越多的研究人員正專注于將電紡納米纖維基復(fù)合材料用作柔性電極。
隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)與之匹配的柔性供電系統(tǒng)勢(shì)在必行。鎂離子電池（MIB）作為一種有前途的下一代電池系統(tǒng)，顯示出作為柔性電子設(shè)備電源的巨大潛力。然而，柔性鎂離子電池的研究仍處于起步階段，探索新型可靠的柔性電極至關(guān)重要。本文通過(guò)靜電紡絲法結(jié)合原位熱還原工藝，制備了一種無(wú)粘結(jié)劑且柔性的自支撐電極，該電極由雙金屬Bi-Sn納米顆粒錨定在碳納米纖維（CNF@Bi-Sn）中構(gòu)成，并初次應(yīng)用于鎂離子電池。CNF@Bi-Sn同時(shí)集成了多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳納米纖維框架、均勻分散的納米級(jí)Bi-Sn顆粒以及增加的相/晶界等優(yōu)勢(shì)，這些特性有助于提高柔性電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并促進(jìn)Mg2+的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。CNF@Bi-Sn合金負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，高的初始比容量738mAhg−1，出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在40mAg−1的電流密度下循環(huán)100次后仍保持150mAhg−1的可逆容量。本工作通過(guò)定量動(dòng)力學(xué)分析、非原位SEM、TEM和XRD等手段，揭示了循環(huán)過(guò)程中柔性電極材料的結(jié)構(gòu)演變以及基于可逆兩相合金化/脫合金化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的鎂存儲(chǔ)機(jī)制。此外，還組裝了全電池，展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。該研究為探索與開發(fā)具有高性能的柔性自支撐合金負(fù)極提供了新的思路。
圖1： CNF@Bi-Sn的制備示意圖及其柔性展示。
一：Bi-Sn納米顆粒均勻錨定在碳納米纖維中作為鎂離子電池的柔性自支撐負(fù)極
靜電紡絲和原位熱還原的方法制備了一種負(fù)載雙金屬Bi-Sn納米粒子的柔性薄膜（CNF@Bi-Sn），其表現(xiàn)出良好的柔性，可以承受各種形變（彎曲、扭曲、折疊等）。在組裝電池過(guò)程中沒(méi)有使用集流體、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等。通過(guò)SEM和TEM可以看出Bi-Sn納米顆粒均勻分布在碳納米纖維中。
圖2：展示了CNF@Bi-Sn的SEM圖像（a, b）；CNF@Bi-Sn的TEM圖像（c, d）；HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的C、Bi和Sn元素分布圖（e-h）；CNF@Bi-Sn的HR-TEM圖像（i, j）以及CNF@Bi-Sn的選區(qū)電子衍射（SAED）圖像（k, l）。
二：CNF@Bi-Sn表現(xiàn)出較高的可逆容量、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性
CNF@Bi-Sn具有738mAhg-1的高初始比容量，經(jīng)過(guò)不同倍率循環(huán)后，其放電比容量可恢復(fù)到214 mAhg-1，證明了CNF@Bi-Sn電極擁有良好的倍率性能。并且在40mAg-1的電流密度下100次循環(huán)后仍能保持150mAhg-1的較高可逆容量。
圖3：展示了樣品的電化學(xué)儲(chǔ)鎂性能。（a）CNF@Bi-Sn在0.1mVs−1掃描速率下的循環(huán)伏安曲線（CV曲線）；（b）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的倍率性能；（c）CNF@Bi-Sn在不同電流密度下的充放電曲線；CNF@Bi-Sn在40mAg-1電流密度下循環(huán)100次的循環(huán)性能（d）及在100 mAg-1電流密度下循環(huán)200次的循環(huán)性能（e）；（f）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的奈奎斯特圖（插圖為其對(duì)應(yīng)的等效電路模型）；（g）CNF@Bi-Sn電極在不同掃描速率下的CV曲線；（h）不同掃描速率下電容控制容量和擴(kuò)散控制容量的貢獻(xiàn)比例。
三：通過(guò)非原位表征揭示了鎂化/去鎂化過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變和儲(chǔ)鎂機(jī)制
通過(guò)非原位SEM、TEM和XRD等表征方法對(duì)CNF@Bi-Sn在鎂化/去鎂化過(guò)程中的形貌和結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了研究。TEM證明了CNF@Bi-Sn電極在全部放電（嵌鎂）和充電（脫鎂）后，Bi-Sn納米顆粒仍然被很好地包裹并均勻地分散在碳納米纖維中，這有效緩解了它們?cè)诤辖鸹^(guò)程中體積變化并防止了活性材料的損失。EDS結(jié)果表明，在放電狀態(tài)Bi、Sn和Mg元素在碳基質(zhì)中均勻分布，非原位XRD也證實(shí)了CNF@Bi-Sn電極的儲(chǔ)鎂機(jī)理是基于可逆的兩相合金化/去合金化轉(zhuǎn)變反應(yīng)。
圖4：展示了CNF@Bi-Sn在全部放電狀態(tài)下循環(huán)20次后的SEM圖像（a）、TEM圖像（b,c）、HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的Bi、Sn和Mg元素分布圖（d）、HR-TEM圖像（e）、XRD圖譜（f），以及CNF@Bi-Sn電極在充放電狀態(tài)下結(jié)構(gòu)演變的示意圖（g）。
劉波老師課題組在實(shí)驗(yàn)中所用微型助力管式爐由科冪儀器提供，論文中也特別提到安徽科冪儀器有限公司，在此非常感謝老師對(duì)科冪儀器的選擇和認(rèn)可。
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