Bi@C nanosphere anode with Na+‐ether‐solvent cointercalation behavior to achieve fast sodium storage under extreme low temperatures

二聚体 阳极 电化学 材料科学 电解质 活化能 化学工程 溶剂 扩散 电极 化学 物理化学 有机化学 热力学 工程类 冶金 物理
作者
Lingli Liu,Siqi Li,Lei Hu,Xin Liang,Wei Yang,Xulai Yang,Kunhong Hu,Chaofeng Hou,Yongsheng Han,Shulei Chou
出处
期刊:Carbon energy [Wiley]
卷期号:6 (9) 被引量:18
标识
DOI:10.1002/cey2.531
摘要

Abstract The low ion transport is a major obstacle for low‐temperature (LT) sodium‐ion batteries (SIBs). Herein, a core‐shell structure of bismuth (Bi) nanospheres coated with carbon (Bi@C) is constructed by utilizing a novel Bi‐based complex (1,4,5,8‐naphthalenetetracarboxylic dianhydride as the ligand) as the precursor, which provides an effective template to fabricate Bi‐based anodes. At −40°C, the Bi@C anode achieves a high capacity, which is equivalent to 96% of that at 25°C, benefitting from the core‐shell nanostructured engineering and Na + ‐ether‐solvent cointercalation process. The special Na + ‐diglyme cointercalation behavior may effectively reduce the activation energy and accelerate the Na + diffusion kinetics, enabling the excellent low‐temperature performance of the Bi@C electrode. As expected, the fabricated Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 //Bi@C full‐cell delivers impressive rechargeability in the ether‐based electrolyte at −40°C. Density functional theory calculations and electrochemical tests also reveal the fast reaction kinetic mechanism at LT, thanks to a much lower diffusion energy barrier (167 meV) and a lower reaction activation energy (32.2 kJ mol −1 ) of Bi@C anode in comparison with that of bulk Bi. This work provides a rational design of Bi‐based electrodes for rechargeable SIBs under extreme conditions.
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