Nano-Bi@Hard Carbon Composite Anode for Sodium-Ion Batteries with 385 Wh L–1 Volumetric Energy Density and Durability

化学 阳极 耐久性 复合数 离子 碳纤维 纳米- 能量密度 化学工程 复合材料 有机化学 物理化学 电极 材料科学 工程物理 工程类
作者
Zhiyu Lu,Haolei Yu,Yunhong Wei,Chengcheng Cao,Rong Liang,Guolei Cai,Song Jin,Hongchang Jin,Yong Ni,Yue Lin,Hengxing Ji
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03507
摘要

Sodium-ion batteries (SIBs) are promising alternatives to lithium-ion batteries (LIBs) for sustainable energy storage, yet their adoption in compact applications is hindered by a low volumetric energy density (VED) or relatively poor structural instability. Herein, we present a nano-Bi@hard carbon (nano-Bi@HC) composite featuring densely packed microspheres with uniformly dispersed Bi nanoparticles (6-18 nm) embedded in a hard carbon matrix, achieving a remarkable VED of 385 Wh L-1, with exceptional cycling stability (97% retention over 4000 cycles). Utilizing pectin's carboxyl functional groups, Bi3+ ions were homogeneously coordinated to enable a high Bi content (86.2 wt %) without agglomeration during carbonization. The nano-Bi@HC anode exhibits an unparalleled volumetric capacity of 1950 mAh cm-3 under a high areal loading (12.3 mg cm-2) and compaction density (4.8 g cm-3). Paired with a Na3V(PO4)3 cathode, the full cell demonstrates a superior performance across temperature ranges, highlighting its practical potential. This study establishes a scalable strategy for designing high-VED and durable alloy-based anodes, bridging critical gaps in SIB technology.
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