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Enhanced Fast‐Charging and Longevity in Sodium‐Ion Batteries through Nitrogen‐Doped Carbon Frameworks Encasing Flower‐Like Bismuth Microspheres

阳极 材料科学 氮气 碳纤维 离子 阴极 化学工程 体积热力学 储能 纳米技术 电极 冶金 复合材料 复合数 热力学 物理化学 有机化学 化学 工程类 功率(物理) 物理
作者
Zhilin Chen,Xiaoyu Wu,Zhefei Sun,Jianhai Pan,Jiajia Han,Yangsu Wang,Haodong Liu,Yanbin Shen,Jie Li,Dong‐Liang Peng,Qiaobao Zhang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (22) 被引量:110
标识
DOI:10.1002/aenm.202400132
摘要

Abstract Micro‐sized bismuth (Bi) is recognized for its high volumetric capacity and suitable working potential, making it a promising anode candidate for sodium‐ion batteries (SIBs). However, its substantial volume changes and slow reaction kinetics during cycling detrimentally affects the SIB performance. Theoretical prediction uncovers a previously unexplored favorable attribute that bonding between nitrogen within a carbon coating and Bi atoms facilitates Na + ingress into the Bi bulk, significantly enhancing Bi‐Na alloying reactions, mitigating volume expansion, and preventing Na‐dendrite formation. Experimentally, the study innovatively engineers a flower‐like micro‐sized Bi encapsulated within an elastic, nitrogen‐doped carbon framework (FBi@NC) working as an efficient anode for SIBs. This design enables FBi@NC anode achieving a high tap density of 2.86 g cm −3 and delivering a remarkable volumetric capacity of 1100 mAh cm −3 at 1 mA cm − 2 . It also exhibits exceptional rate capability (368.2 mA h g −1 at 30 A g −1 ) and super durable cyclability (10 000 cycles with 318.8 mA h g −1 at 5 A g −1 , retaining 82% capacity). Full cells with Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 cathodes demonstrate superior rate and cycling performances. Crucially, this study elucidates the underlying Na + ‐storage mechanisms and the contributory factors to performance enhancement, providing vital insights for the development of high‐energy and stable SIBs.
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