基于硒化铋的锂/钠离子电池储能研究

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二次可充电锂离子电池因为具有体积小、循环寿命长、能量密度高和环保等优势,已成功应用到手机、(混合)电动汽车等领域。随着锂价格升高,为满足大规模储能系统低成本和可持续的要求,钠离子电池由于丰富的钠储量同时受到广泛关注。商业上用作锂离子电池负极的石墨理论容量较低(372 mAh g-1),且较低的工作电压平台(0.1 V vs.Li/Li+)容易形成锂枝晶,导致安全问题。层状金属硒化物(Bi2Se3和Bi3Se4)具有较高容量和工作电压,有望成为锂离子和钠离子电池负极材料。硒化物易溶解和较大的体积膨胀容易使纯Bi2Se3电极粉化,导致快速的容量衰减。为解决上述问题,我们通过水热法在柔性碳布上生长无定形碳包裹的单晶Bi2Se3纳米片阵列(即Bi2Se3/CC),该复合结构可以缓解体积膨胀应力,避免硒化物溶解,维持完整稳定的电极结构,最终提高循环稳定性。Bi2Se3/CC作为锂离子电池负极材料,在100 mA g-1的电流密度下循环200圈后,仍能实现1460.5 mAh g-1的超高容量。Bi2Se3阵列结构具有增强的离子扩散系数。在钠离子电池中,当电流密度高达1 A g-1时,Bi2Se3/CC电极经历200次循环后,其可逆容量仍保持210.2 mAh g-1。另外,为保证硒化物高容量的同时获得较长循环寿命,我们通过将Bi3Se4纳米花嵌入到多孔中空碳壳中,首次制备获得中空核壳结构Bi3Se4@C。碳壳的存在有效提高了电极材料的导电性,而多孔结构则为离子的扩散和电解液的渗透提供了大量的通道。研究发现,碳壳与Bi3Se4核之间存在80-100纳米左右的中空空间,这极大地缓解了应力应变,阻止了结构的粉碎,实现增强的循环性能。在锂离子电池中,核壳结构的Bi3Se4@C电极在200 mA g-1时,经历750次循环而可逆容量仍稳定地保持在489 mAh g-1
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