近日，化学与材料学院李宏岩老师课题组在国际著名期刊Advanced Functional Materials（影响因子为19）上发表了题为“Fast and Long-Lasting Potassium-Ion Storage Enabled by Rationally Engineering Strain-Relaxation Bi/Bi2O3 Nanodots Embedded in Carbon Sheets”的重要研究成果，揭示了合理设计应变-松弛结构对于实现高倍率和长寿命的钾离子电池具有重要作用。暨南大学为第一通讯单位。
钾离子电池的发展为未来高效、低成本储能提供了备选之路。然而，钾离子的较大离子半径会引起循环过程中电极材料的体积变化和缓慢的反应动力学，从而导致低倍率性能和快速的容量衰减。基于此，我们首次设计并合成了一种具有应变松弛结构的Bi/Bi2O3 NDs@CSs，通过引入适量的Bi2O3组分来优化Bi/Bi2O3纳米点结构，并与碳材料进行复合，从而显著提高钾离子的存储性能。应变松弛结构可起到有效缓冲体积膨胀、缓解应力和应变的作用。此外，Bi2O3的引入不仅促进了钾离子的吸附，在循环过程中转化为Bi，而且对Bi金属起到保护和缓冲作用，防止了结构断裂，提高了循环性能。外部碳片进一步加速离子/电子传导，增强结构的稳定性。Bi/Bi2O3NDs@CSs作为钾离子电池负极材料，可以在60 A g-1下实现149.3 mAh g-1的优异倍率性能，在5 A g-1下循环1800次仍具有95%的容量保持率。
为了明晰电极材料在充放电过程中的微观结构演变，我们通过原位透射电镜和原位X射线衍射对Bi/Bi2O3 NDs@CSs材料进行实时监测。钾化过程中，钾离子开始进入Bi/Bi2O3 NDs@CSs，会产生明显的体积膨胀，随着钾离子的不断嵌入，材料逐渐发生转化和合金化反应并经历了体积变化，而外部碳片仍然紧紧地覆盖在K-Bi合金化产物的表面，并随着膨胀形状的变化而变化。而对于充电过程，钾离子逐渐从K-Bi合金中脱出，直至Bi和Bi2O3的重现，且Bi/Bi2O3 NDs@CSs的体积逐渐回缩，表明可逆的合金/脱合金化反应。
利用密度泛函理论进行模拟，分析发现：Bi（012）在所有模型上的吸附能都低于Bi2O3（201）的吸附能，这归因于Bi2O3（201）表面上Bi原子与O原子之间存在的离子键。从扩散迁移的角度来看，钾可以在Bi的表面快速扩散，这得益于金属性质造成的0.36 eV的小扩散势垒。由上述分析可知，钾在金属Bi表面的扩散速率较高，但吸附能较低会影响钾存储容量；Bi2O3可以大大提高K的吸附能，但扩散速率相对较低，这意味着Bi2O3可能具有缓冲和保护作用，从而可以减轻Bi的体积膨胀。因此，Bi和Bi2O3的合理复合设计，可充分发挥其优良性能，有利于钾的储存特性。为了深入了解反应过程，进一步对合金化过程中的迁移进行理论模拟，发现钾在Bi、KBi2和 K3Bi结构上进行迁移，而相关的迁移势垒随着合金化反应的进行呈下降趋势，分别为Bi（0.38 eV）、KBi2（0.30 eV）和K3Bi（0.22 eV）。这种现象很好地表明Bi/Bi2O3 NDs@CSs复合材料在合金化过程中具有高的钾迁移率，并且可以保持电极稳定性，这与实验结果相一致。
该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东省功能配位超分子材料及应用重点实验室开放基金的资助以及厦门大学张桥保教授的支持。自入职暨大以来，李宏岩课题组始终围绕在钾离子电池关键材料的设计和可控制备，已在Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, Small Methods, Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J.,等国际知名学术期刊上发表30余篇论文，授权专利8件。
【文章链接】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307205
文/图：李宏岩
校对：刘雪
责编：李逸凡
初审：陈填烽
终审：李丹
