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Nanoporous Pb Anodes for Sodium-Ion Batteries Synthesized by Free Corrosion Dealloying of Pb-Na Parent Alloys in Pure Water

纳米孔 阳极 材料科学 扩散 化学工程 多孔性 腐蚀 电化学 Pourbaix图 体积热力学 金属 电极 水溶液 相(物质) 纳米技术 体积膨胀 动力学 冶金 金属泡沫 工作(物理) 多孔介质 法拉第效率 气体扩散
作者
Xiayueyang Mei,Jiaxin Liu,Jo Kubota,Kue‐Ho Kim,Eric Detsi
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (16): 10689-10697
标识
DOI:10.1021/acsaem.6c01550
摘要

Abstract Lead (Pb) is a highly promising anode material for sodium-ion batteries (SIBs) due to its high theoretical volumetric capacity, a suitable working potential above the Na-plating threshold, and low cost. However, its practical application is severely hindered by sluggish sodiation kinetics and massive volume expansion (∼365%) during cycling, which leads to pulverization and rapid capacity fading. Herein, we report a green, scalable, and ultrafast liquid-phase dealloying strategy to fabricate three-dimensional (3D) nanoporous Pb (NP-Pb) with a bicontinuous ligament–pore structure. By leveraging the specific thermodynamic immunity of Pb in neutral aqueous media (based on Pourbaix diagrams) and the distinct chemical activity differences in a Na-rich precursor (Na90Pb10), we achieved the selective removal of the sacrificial Na phase within only 1 min in pure water. The resulting NP-Pb structure effectively accommodates the mechanical strain of volume expansion and provides abundant active sites for rapid Na+ transport. Consequently, the NP-Pb anode exhibits superior electrochemical performance compared to commercial Pb microparticles, delivering a high reversible capacity of ∼480 mAh g–1 at 0.1C with exceptional rate retention of 350 mAh g–1 at 5C (73%), and robust cycling stability. Kinetic analysis reveals that the improved performance stems from a markedly reduced charge-transfer resistance and a high Na+ diffusion coefficient, confirming that the nanoporous architecture effectively shortens solid-state diffusion pathways. This work not only revitalizes Pb-based anodes for SIBs but also offers a sustainable, etchant-free, water-based manufacturing route for advanced porous metal electrodes.
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