Chemical bonding in multiple encapsulation geometry of Bi2Se3-based conversion-alloying anode materials for superior sodium-ion storage

材料科学 阳极 石墨烯 电化学 化学工程 电极 氧化物 离子 电化学动力学 纳米技术 物理化学 冶金 物理 量子力学 化学 工程类
作者
Shaokun Chong,Lingling Yuan,Shuangyan Qiao,Meng Ma,Ting Li,Xiang Huang,Qianwen Zhou,Yikun Wang,Wei Huang
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (7): 2641-2651 被引量:19
标识
DOI:10.1007/s40843-022-2441-6
摘要

Conversion-alloying-based materials have been regarded as potential anode electrodes for low-cost sodium-ion batteries (SIBs), but their applications are limited owing to the large volume variation and poor electrochemical kinetics. In this study, Bi2Se3 nanoflowers assembled by ultra-thin na-nosheets, vertically anchored on reduced graphene oxide (rGO) via strong chemical bonding of C-O-Bi, and encapsulated in the N-doped C nanolayer (Bi2Se3@rGO@NC), are constructed as anodes for Na-ion storage. The physico-chemical encapsulation geometry of graphene and N-doped C is conductive to acquiring excellent electrode integrity by accommodating large lattice strain, as well as boosting fast electrochemical kinetics process by dispelling the band gap and decreasing Na-ion diffusion barrier. Bi-ion is used as a redox site for Na-ion insertion/extraction via conversion-alloying dual-mechanism with 12-electron transport per formula (Bi2Se3 + 12Na+ + 12e− ⟷ 2Na3Bi + 3Na2Se). Thus, a high initial charge capacity of 288.4 mA h g−1 at 50 mA g−1, excellent cycling stability with an ultra-long lifespan of over 1000 cycles, and good rate property (119.9 mA h g−1 at 5.0 A g−1) can be achieved for Bi2Se3@rGO@NC. This study may open up systematic research on conversion-alloying anodes and shed insights into the illumination of the electrochemical reaction mechanism for SIBs.
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