Erstautoren: Miao Cheng, Shaoqing Pan
Korrespondierender Autor: Bo Liu
Artikelüberschrift: „Bimetallische Bi–Sn-Nanopartikel, die in Kohlenstoffnanofasern in situ verankert sind, als flexible, selbsttragende Anode für fortschrittliche Magnesiumionenbatterien“
Einflussfaktor: 13.4
Link zum Artikel: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159626
01 Dozentenprofil
Professor Liu Bo ist Wissenschaftler an der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Suzhou University of Science and Technology. Er ist außerdem Gastwissenschaftler am Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und Gastprofessor an der Qilu University of Technology. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf optoelektronischen Materialien und Bauelementen im Nanobereich. Er hat über 60 Forschungsprojekte geleitet oder daran mitgewirkt, darunter bedeutende nationale Initiativen wie das Nationale Grundlagenforschungsprogramm Chinas (Programm 973). Bislang hat er 317 Fachartikel veröffentlicht (davon 230 SCI-gelistete Artikel) und ist Inhaber von 119 chinesischen und 5 US-amerikanischen Erfindungspatenten.
02 Forschungshintergrund
Mit der rasanten Entwicklung flexibler elektronischer Geräte gewinnt die Erforschung und Entwicklung leistungsstarker flexibler Energiespeichersysteme zunehmend an Bedeutung. Flexible Lithium-Ionen-Batterien haben dabei bedeutende Fortschritte in praktischen Anwendungen mit flexibler Elektronik und tragbaren Geräten erzielt. Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen für ihre Weiterentwicklung und Anwendung – insbesondere die hohen Kosten aufgrund begrenzter Lithiumressourcen und die Sicherheitsrisiken durch unkontrollierte Lithiumdendritenbildung. Daher besteht ein dringender Bedarf an alternativen Batteriesystemen, die sich durch hohe natürliche Verfügbarkeit, niedrige Kosten und hohe Sicherheit auszeichnen. Wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterien bieten vielversprechende Möglichkeiten als zuverlässige Alternative zu Lithium-basierten Systemen, da Magnesiumressourcen reichlich vorhanden und kostengünstig sind, eine hohe theoretische spezifische Kapazität und ein geeignetes Reduktionspotenzial aufweisen, bei elektrochemischen Abscheidungs-/Auflösungsprozessen keine Dendriten bilden und eine hohe Betriebssicherheit bieten. Dennoch ist die Forschung zu flexiblen Elektrodenmaterialien für Magnesium-Ionen-Batterien noch begrenzt. In den letzten Jahren hat sich das Elektrospinnen als eine der bequemsten, kostengünstigsten und industriell praktikabelsten Techniken zur Herstellung dreidimensionaler poröser Membranen etabliert. Folglich konzentrieren sich immer mehr Forscher auf die Verwendung von elektrogesponnenen Nanofaser-basierten Verbundwerkstoffen als flexible Elektroden.
03 Highlights des Papers / Zusammenfassung
Angesichts der beispiellosen Fortschritte in der flexiblen Elektroniktechnologie ist die Entwicklung kompatibler flexibler Stromversorgungssysteme unerlässlich geworden. Magnesiumionen-Batterien (MIBs) als vielversprechendes Batteriesystem der nächsten Generation zeigen immenses Potenzial als Energiequellen für flexible elektronische Geräte. Die Forschung an flexiblen Magnesiumionen-Batterien befindet sich jedoch noch in den Anfängen; daher ist die Entwicklung neuartiger und zuverlässiger flexibler Elektroden von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde eine binderfreie, flexible und selbsttragende Elektrode mittels Elektrospinnen in Kombination mit einem in-situ Thermisches Reduktionsverfahren. Diese Elektrode besteht aus bimetallischen Bi-Sn-Nanopartikeln, die in Kohlenstoffnanofasern (CNF@Bi-Sn) eingebettet sind, und wird erstmals in Magnesiumionenbatterien eingesetzt. Die CNF@Bi-Sn-Architektur vereint mehrere Vorteile: ein hierarchisch poröses Kohlenstoffnanofasergerüst, gleichmäßig dispergierte Bi-Sn-Nanopartikel und eine erhöhte Dichte an Phasen-/Korngrenzen. Diese Eigenschaften tragen gemeinsam zur Verbesserung der strukturellen Stabilität des flexiblen Elektrodenmaterials und zur Beschleunigung der Diffusionskinetik von Mg²⁺-Ionen bei. Die CNF@Bi-Sn-Legierungsanode zeigt eine außergewöhnliche elektrochemische Leistung mit einer hohen anfänglichen spezifischen Kapazität von 738 mAh g⁻¹, hervorragender Ratenfähigkeit und exzellenter Zyklenstabilität; insbesondere behält sie nach 100 Zyklen bei einer Stromdichte von 40 mA g⁻¹ eine reversible Kapazität von 150 mAh g⁻¹. Durch quantitative kinetische Analyse sowie ex-situ Mithilfe von SEM-, TEM- und XRD-Charakterisierungen klärt diese Studie die strukturelle Entwicklung des flexiblen Elektrodenmaterials während der Zyklen auf und enthüllt den zugrundeliegenden Magnesiumspeichermechanismus, der auf einer reversiblen zweiphasigen Legierungsbildungs-/Entlegierungsreaktion basiert. Darüber hinaus wurde eine vollständige Zelle aufgebaut, um das Potenzial dieser Elektrode für praktische Anwendungen zu demonstrieren. Diese Forschung liefert neue Erkenntnisse für die Erforschung und Entwicklung von leistungsstarken, flexiblen und selbsttragenden Legierungsanoden.
04 | Illustrierte Analyse
I: Gleichmäßig in Kohlenstoffnanofasern verankerte Bi-Sn-Nanopartikel als flexible, selbsttragende Anode für Magnesiumionenbatterien
Ein flexibler Film (CNF@Bi-Sn), beladen mit bimetallischen Bi-Sn-Nanopartikeln, wurde mittels eines Verfahrens hergestellt, das Elektrospinnen und thermische In-situ-Reduktion kombiniert. Dieser Film zeichnet sich durch hervorragende Flexibilität aus und ist beständig gegen verschiedene Verformungsarten (Biegen, Verdrehen, Falten usw.). Beim Batterieaufbau wurden keine Stromkollektoren, Leitmittel oder Bindemittel verwendet. SEM- und TEM-Analysen zeigen, dass die Bi-Sn-Nanopartikel gleichmäßig in den Kohlenstoffnanofasern verteilt sind.
II: CNF@Bi-Sn weist eine hohe reversible Kapazität, ein ausgezeichnetes Lade-/Entladeverhalten und eine gute Zyklenstabilität auf
CNF@Bi-Sn weist eine hohe Anfangskapazität von 738 mAh g⁻¹ auf. Nach wiederholten Lade-/Entladezyklen bei verschiedenen Stromdichten erholt sich die Entladekapazität auf 214 mAh g⁻¹, was die hervorragende Leistungsfähigkeit der CNF@Bi-Sn-Elektrode bei hohen Stromdichten belegt. Darüber hinaus behält sie selbst nach 100 Zyklen bei einer Stromdichte von 40 mA g⁻¹ eine hohe reversible Kapazität von 150 mAh g⁻¹ bei.
III: Strukturelle Entwicklung und Magnesiumspeichermechanismen, aufgedeckt durch Ex-situ-Charakterisierung
Die morphologische und strukturelle Entwicklung von CNF@Bi-Sn während der Magnesiumeinlagerung und -entladung wurde mittels Ex-situ-Charakterisierungstechniken wie SEM, TEM und XRD untersucht. TEM-Analysen zeigten, dass die Bi-Sn-Nanopartikel in der CNF@Bi-Sn-Elektrode nach vollständiger Entladung (Mg-Einlagerung) und Ladung (Mg-Extraktion) gut eingekapselt und gleichmäßig in den Kohlenstoffnanofasern verteilt blieben. Dies reduzierte effektiv Volumenänderungen während der Legierungsbildung und verhinderte den Verlust von Aktivmaterial. EDS-Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die Elemente Bi, Sn und Mg im entladenen Zustand gleichmäßig in der Kohlenstoffmatrix verteilt waren. Darüber hinaus bestätigte die Ex-situ-XRD-Analyse, dass der Magnesiumspeichermechanismus der CNF@Bi-Sn-Elektrode auf einer reversiblen zweiphasigen Legierungs-/Entlegierungsreaktion beruht.
05 In dieser Studie verwendete Ausrüstung
Der von der Forschungsgruppe um Professor Liu Bo in ihren Experimenten eingesetzte Miniatur-Rohrofen wurde von Kemi Instruments geliefert. Anhui Kemi Instruments Co., Ltd. wurde in der Veröffentlichung ausdrücklich erwähnt; wir möchten Professor Liu an dieser Stelle unseren herzlichen Dank für die Wahl und Empfehlung von Kemi Instruments aussprechen.
