Bi纳米颗粒与石墨板的协同组合让钠离子电池在低温下也能保持高稳定性

文章信息

Synergistic Combination of Bi Nanobeads and Graphite Plates Enables High-Stability Sodium-Ion Batteries at Low Temperatures

第一作者：魏振宇

通讯作者：孟晓冬*，耿建新*

单位：天津工业大学

研究背景

随着深海、极地和太空探索的深入，对能在极端低温下稳定运行的储能设备需求日益迫切。钠离子电池（SIBs）因Na+具有更小的斯托克斯半径（4.6 ? vs Li+的4.8 ?），在低温下离子扩散性能优于锂离子电池，且钠资源丰富、成本低廉，因此，SIBs被视为低温储能领域的有力竞争者。然而，传统钠SIBs负极材料（如硬碳）在充放电过程中Na+需要完全脱溶剂化，这一过程在低温下能垒急剧升高，成为限制电池低温性能的关键瓶颈。如何在低温下实现快速、稳定的钠存储，是当前研究的核心挑战。

文章简介

近日，来自天津工业大学的耿建新教授与孟晓冬老师，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Synergistic Combination of Bi Nanobeads and Graphite Plates Enables High-Stability Sodium-Ion Batteries at Low Temperatures”的研究性论文。为克服Na+在嵌入负极过程中因脱溶剂化导致的动力学缓慢问题，该工作提出了将两种溶剂化Na+共插型材料（N掺杂碳包覆Bi纳米球和石墨片）进行复合的研究思路（所得复合材料记为Bi-NC@G）。该设计的核心策略在于：在二甘醇二甲醚（diglyme）基电解液中，Bi纳米球和石墨片均能通过Na+-溶剂共插机制储钠，该储钠机制绕过了低温下高能垒的Na+脱溶剂化过程，从根源上解决低温动力学瓶颈。同时，石墨片的引入提升了材料整体导电性，NC包覆层则有效缓冲了Bi在充放电过程中的巨大体积变化（约350%），实现了结构稳定性与快速动力学的协同统一。

图1. Bi-NC@G的合成及其储钠机制示意图。（a）Bi-NC@G复合材料的制备路线；（b）Na+-溶剂共插储钠机制示意图（左）和去溶剂化-插层储钠机制示意图（右）。

本文要点

要点一：Bi-NC@G的合成与结构优势

通过水热还原结合高温煅烧的策略，成功将PVP转化为氮掺杂碳层，原位包覆在Bi纳米球表面，并均匀锚定于石墨片之间（图1a），这种结构设计带来了三大优势：（1）石墨片与NC层共同提升了材料的电子导电性和结构稳定性；（2）Bi纳米球与石墨片均可储钠，确保了复合材料较高的储钠比容量；（3）在二甘醇二甲醚基电解液中，Bi和石墨均采用Na+-溶剂共插的储钠机制，从而绕过了对温度敏感的脱溶剂化过程，即使在低温下也能实现快速的反应动力学（图1b）。

要点二：优异的电化学性能

得益于其独特的结构与性能，Bi-NC@G负极在Na||Bi-NC@G半电池和Bi-NC@G||Na3V2(PO4)3全电池中均表现出优异的电化学性能。具体如下：

半电池性能：

倍率性能：在20 A g1的大电流密度下，比容量仍可达202.7 mAh g1，容量保持率达95.1%（0.1 A g1时，比容量为213.1 mAh g1）。

循环稳定性：在5 A g1下循环超过10000次，容量保持率达94.9%，这是目前已报道的Bi基和石墨基半电池中的最优性能；

低温耐受性：在?40 C和0.1 A g1条件下，比容量为175.8 mAh g1，相当于室温容量的79.5%。

全电池性能：

循环稳定性：在5 A g1下循环超过10000次，容量保持率为69.0%；

低温耐受性：在?20 °C和?40 C下，比容量分别为160.0和112.9 mAh g?1，分别相当于室温容量的85.4%和60.2%。

文章链接

Synergistic Combination of Bi Nanobeads and Graphite Plates Enables High-Stability Sodium-Ion Batteries at Low Temperatures

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000862232600792X

通讯作者简介

耿建新教授简介：国家高层次人才特殊支持计划入选者，天津工业大学教授、博士生导师。2004年，毕业于中国科学院长春应用化学研究所，高分子化学与物理专业。主要从事碳材料、聚合物材料和新型电化学电池技术的研究。在功能聚合物材料的设计合成及结构调控、功能碳材料设计及制备、锂硫电池关键材料设计及其电化学过程解析等方面取得了系统的研究成果。获得中国科学院“百人计划”资助并在终期评估中被评为优秀；入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才；获得江苏省“双创计划”等项目支持。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等具有重要影响力的期刊上发表学术论文120余篇。以第一发明人申请中国发明专利18项（已获得授权12项）。撰写学术专著1章。担任天津市材料研究学会、储能学会理事。

信息来源：科学材料站

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11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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