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Insights into electrolyte-induced temporal and spatial evolution of an ultrafast-charging Bi-based anode for sodium-ion batteries

阳极 材料科学 电解质 离子 电化学 介电谱 化学物理 纳米技术 化学工程 电极 物理化学 工程类 化学 有机化学
作者
Xinfei Wu,Zijian Li,Wencong Feng,Wen Luo,Lujie Liao,Hongwei Cai,Xingbao Chen,Zhaohui Deng,Jiahao Wu,Boyu Xing,Jingke Ren,Zirui Lou,Liqiang Mai
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:66: 103219-103219 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103219
摘要

The development of extremely fast-charging sodium-ion batteries is significantly impeded by the lack of appropriate electrode materials. Bismuth (Bi) is emerging as a potential fast-charging anode, while it still faces three major challenges: complex synthesis, mismatch of electrolytes and unclear evolution mechanisms under the fast-charging operation conditions. Here, we report an ultrafast Joule heating method in just 30 s to produce ultrafine Bi nanoparticles embedded in three-dimensional carbon frameworks (Bi@3D-CFs). Through physicochemical characterization and theoretical calculations, we propose that electrochemical kinetics dominates the fast-charging performance. We further reveal the temporal and spatial evolution of Bi@3D-CFs anode using the focused ion beam technique, in-depth X-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Bi@3D-CFs in 1,2-dimethoxyethane (DME)-based electrolyte exhibit excellent sodium storage performance (349 mAh g−1 after 12,000 cycles at 5 A g−1 and 311 mAh g−1 at 100 A g−1 with ∼11 s to fully (dis)charge), attributed to the unique 3D porous structure formed during cycling, alongside the gradient organic/inorganic solid electrolyte interphase. When paired with Na3V2(PO4)3@C, the full cells demonstrate remarkable electrochemical performance. This work examines the underlying mechanism of alloying-type anodes in ether-based electrolytes and offers new insights into the development of fast-charging batteries.
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