Rational design of mangosteen-like bismuth nanospheres coated by N-doped carbon shell as superb composite anode for high-performance sodium-ion batteries

复合数 阳极 铋 材料科学 合理设计 壳体(结构) 兴奋剂 碳纤维 离子 钠 纳米技术 化学工程 复合材料 化学 光电子学 工程类 电极 冶金 有机化学 物理化学
作者
Xuanli Chen,Yanqiu Xu,J. Tang,Yin Li,Junxian Hu,Keyu Zhang,Shaoze Zhang,Yaochun Yao
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:99: 113395-113395 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.113395
摘要

Metallic bismuth (Bi) anode materials are promising candidates for alkali-ion batteries due to its high theoretical gravimetric/volumetric capacity. However, the pronounced volume change from Bi to full sodiation phase Na3Bi, inducing the structural collapse, and ionic conduction interruption upon cycling, hinders their implementation in sodium-ion batteries (SIBs). Herein, a mangosteen-like bismuth nanosphere coated by N-doped carbon shell (Bi@NC) was designed and synthesized to address these limitations. Due to the nanosize of Bi core and in situ, generated N-doped carbon shell, this Bi@NC anode can not only effectively accommodate the volume change during the alloying/dealloying process but also provide high-speed channels for electron/ion transport to the highly active bismuth nanospheres. The Bi@NC electrode exhibits outstanding cycling stability (1000 cycles at 5 A g−1 with an impressive capacity retention of 96.5 %) and rapid sodium storage performance (392.8 mAh g−1 at 20 A g−1). Importantly, ex-situ techniques and kinetic analysis have revealed the distinctively sharp multiphase transitions and the "battery-capacitor dual-mode" sodium-storage mechanism. This research introduces a new approach to enhance the performance of bismuth-based anodes in advanced SIBs and demonstrates potential for practical applications.
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