Первые авторы: Мяо Чэн, Шаоцин Пан
Автор, ответственный за переписку: Бо Лю
Название статьи: «Биметаллические наночастицы Bi–Sn, закрепленные in situ в углеродном нановолокне, в качестве гибкого самоподдерживающегося анода для перспективных магниево-ионных батарей»
Импакт-фактор: 13.4
Ссылка на статью: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159626
01 Профиль инструктора
Профессор Лю Бо — научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии Сучжоуского университета науки и технологий. Он также является приглашенным научным сотрудником Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) при Китайской академии наук (CAS) и приглашенным профессором в Цилуском технологическом университете. Его основные исследования сосредоточены на наноразмерных оптоэлектронных материалах и устройствах. Он руководил или участвовал более чем в 60 исследовательских проектах, включая крупные национальные инициативы, такие как Национальная программа фундаментальных исследований Китая (Программа 973). На сегодняшний день он опубликовал 317 статей в научных журналах (включая 230 статей, индексируемых в SCI) и получил 119 китайских и 5 американских патентов на изобретения.
02. Предпосылки исследования
В связи с бурным развитием гибких электронных устройств, исследование и разработка высокоэффективных гибких систем хранения энергии приобретают все большее значение. Среди них гибкие литий-ионные батареи достигли значительного прогресса в практическом применении, связанном с гибкой электроникой и носимыми устройствами; однако сохраняются проблемы, препятствующие их дальнейшему развитию и применению, — в частности, высокие затраты, связанные с ограниченными запасами лития, и риски для безопасности, связанные с неконтролируемым образованием литиевых дендритов. Следовательно, существует острая необходимость в разработке альтернативных батарейных систем, характеризующихся высокой распространенностью в природе, низкой стоимостью и высокой безопасностью. Перезаряжаемые магниево-ионные батареи обладают большим потенциалом в качестве надежной альтернативы системам на основе лития, учитывая, что ресурсы магния обильны и недороги, обладают высокой теоретической удельной емкостью и подходящим восстановительным потенциалом, не образуют дендриты в процессе электрохимического осаждения/растворения и обеспечивают высокую эксплуатационную безопасность. Тем не менее, исследования, касающиеся гибких электродных материалов для магниево-ионных батарей, остаются немногочисленными. В последние годы электропрядение получило широкое признание как один из наиболее удобных, экономически эффективных и промышленно жизнеспособных методов изготовления 3D пористых мембран; Следовательно, все больше исследователей сосредотачиваются на использовании композитов на основе электроформованных нановолокон в качестве гибких электродов.
03 Основные моменты доклада / Аннотация
В связи с беспрецедентным развитием технологий гибкой электроники разработка совместимых гибких систем питания стала крайне необходимой. Магний-ионные батареи (МИБ), как перспективная аккумуляторная система следующего поколения, демонстрируют огромный потенциал в качестве источников питания для гибких электронных устройств. Однако исследования гибких магний-ионных батарей все еще находятся на начальной стадии; поэтому разработка новых и надежных гибких электродов имеет критически важное значение. В данной работе был изготовлен гибкий и самоподдерживающийся электрод без связующего вещества методом электропрядения в сочетании с на месте Процесс термического восстановления. Этот электрод состоит из биметаллических наночастиц Bi-Sn, закрепленных внутри углеродных нановолокон (CNF@Bi-Sn), и впервые применяется в магниево-ионных батареях. Архитектура CNF@Bi-Sn синергетически объединяет несколько преимуществ: иерархическую пористую структуру из углеродных нановолокон, равномерно распределенные наночастицы Bi-Sn и повышенную плотность фазовых/зеренных границ. Эти характеристики в совокупности способствуют повышению структурной стабильности гибкого электродного материала и облегчают кинетику диффузии ионов Mg²⁺. Анод из сплава CNF@Bi-Sn демонстрирует исключительные электрохимические характеристики, отличаясь высокой начальной удельной емкостью 738 мА·ч·г⁻¹, выдающейся скоростью разряда и превосходной циклической стабильностью; в частности, он сохраняет обратимую емкость 150 мА·ч·г⁻¹ после 100 циклов при плотности тока 40 мА·г⁻¹. Количественный кинетический анализ, а также вне места Благодаря использованию методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеновской дифракции (РД), данное исследование позволяет прояснить структурную эволюцию гибкого электродного материала в процессе циклирования и выявить лежащий в его основе механизм накопления магния, который базируется на обратимой двухфазной реакции легирования/делегирования. Кроме того, было собрано полнофункциональное устройство для демонстрации потенциала этого электрода в практических приложениях. Данное исследование предлагает новые идеи для изучения и разработки высокоэффективных гибких самоподдерживающихся сплавных анодов.
04 | Иллюстрированный анализ
I: Наночастицы Bi-Sn, равномерно закрепленные внутри углеродных нановолокон, в качестве гибкого самоподдерживающегося анода для магниево-ионных батарей.
Гибкая пленка (CNF@Bi-Sn), содержащая биметаллические наночастицы Bi-Sn, была изготовлена методом, сочетающим электропрядение и термическое восстановление in situ. Эта пленка обладает превосходной гибкостью и может выдерживать различные виды деформаций (изгиб, скручивание, складывание и т. д.). В процессе сборки батареи не использовались токосъемники, проводящие агенты или связующие вещества. Анализы SEM и TEM показывают, что наночастицы Bi-Sn равномерно распределены по всей толще углеродных нановолокон.
II: CNF@Bi-Sn демонстрирует высокую обратимую емкость, отличные характеристики скорости разряда и хорошую циклическую стабильность.
CNF@Bi-Sn демонстрирует высокую начальную удельную емкость 738 мА·ч·г⁻¹. После циклирования при различных скоростях разряда его удельная емкость восстанавливается до 214 мА·ч·г⁻¹, что подтверждает превосходные скоростные характеристики электрода CNF@Bi-Sn. Кроме того, даже после 100 циклов при плотности тока 40 мА·г⁻¹ он сохраняет высокую обратимую емкость 150 мА·ч·г⁻¹.
III: Структурная эволюция и механизмы хранения магния, выявленные с помощью анализа ex situ.
Морфологическая и структурная эволюция CNF@Bi-Sn в процессе магнезирования/демагнезирования была исследована с использованием методов ex situ характеризации, включая SEM, TEM и XRD. Анализ TEM показал, что после полного разряда (внедрение Mg) и заряда (извлечение Mg) наночастицы Bi-Sn в электроде CNF@Bi-Sn оставались хорошо инкапсулированными и равномерно распределенными по всей углеродной нановолоконной структуре; это эффективно снижало изменения объема в процессе легирования и предотвращало потерю активного материала. Результаты EDS показали, что в разряженном состоянии элементы Bi, Sn и Mg равномерно распределены в углеродной матрице; кроме того, ex situ XRD подтвердил, что механизм накопления магния в электроде CNF@Bi-Sn основан на обратимой двухфазной реакции легирования/делегирования.
05 Оборудование, использованное в данном исследовании
Миниатюрная трубчатая печь с вспомогательным нагревателем, использованная в экспериментах исследовательской группы профессора Лю Бо, была предоставлена компанией Kemi Instruments. В статье также особо отмечена компания Anhui Kemi Instruments Co., Ltd.; мы хотели бы воспользоваться этой возможностью, чтобы выразить нашу искреннюю благодарность профессору Лю за выбор и поддержку компании Kemi Instruments.
