1. 研究作者与机构

本研究的主要作者包括杨武、杨哲伟、王朝辉、边海楠、潘跃德、李刚、王开鹰和王接喜。研究团队来自多个机构，包括太原理工大学材料科学与工程学院、挪威东南大学微系统系、中南大学冶金与环境学院以及国家先进储能材料工程技术研究中心。该研究于2024年12月12日发表在《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》（中国有色金属学报英文版）上。

2. 学术背景

钠离子电池（Sodium-Ion Batteries, SIBs）因其钠资源丰富、成本低廉，被认为是大规模储能领域中最有潜力的锂离子电池替代品。然而，现有的负极材料在容量、倍率性能和循环稳定性方面仍无法满足实际需求。铋（Bismuth, Bi）作为一种合金型负极材料，因其高理论质量比容量（385 mAh g⁻¹）和体积比容量（3800 mAh L⁻¹）而备受关注。然而，铋在充放电过程中会产生较大的体积膨胀，导致活性材料粉化，进而影响电池的循环稳定性。

为了解决这一问题，本研究设计并制备了一种核壳结构的Bi@介孔碳纳米球（Bi@MC）复合材料，旨在通过介孔碳外壳缓解铋的体积膨胀，同时促进钠离子的快速扩散，从而提高电池的倍率性能和循环寿命。

3. 研究流程

3.1 材料制备

1. Bi纳米球的制备：通过溶剂热法合成Bi纳米球。将Bi(NO₃)₃·5H₂O和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在乙二醇和硝酸的混合溶液中，经过150°C反应12小时后，得到Bi纳米球。
2. Bi@MSiO₂复合材料的制备：将Bi纳米球与十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）分散在乙醇和去离子水中，加入正硅酸乙酯（TEOS）反应6小时，得到Bi@MSiO₂复合材料。
3. Bi@MC复合材料的制备：将Bi@MSiO₂溶解在PVP溶液中，经过冷冻干燥和800°C热处理后，用NaOH溶液去除SiO₂，最终得到Bi@MC复合材料。

3.2 材料表征

研究使用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对材料的结构和形貌进行了表征。结果表明，Bi@MC复合材料的平均直径为200 nm，介孔碳外壳厚度为20-30 nm，且具有4 nm左右的介孔结构。

3.3 电化学测试

研究通过半电池和全电池测试评估了Bi@MC的电化学性能。半电池测试显示，Bi@MC在5 A g⁻¹的电流密度下循环3500次后，容量保持率高达97.6%。全电池测试中，Bi@MC与磷酸钒钠（Na₃V₂(PO₄)₃, NVP）正极组装的电池能量密度达到182 Wh kg⁻¹。

4. 主要结果

1. 结构表征：Bi@MC复合材料具有核壳结构，Bi纳米球被N掺杂的介孔碳外壳包裹，有效缓解了体积膨胀。
2. 电化学性能：Bi@MC在20 A g⁻¹的高电流密度下仍能保持266 mAh g⁻¹的比容量，表现出优异的倍率性能。
3. 动力学分析：通过电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）分析，发现介孔碳外壳显著提高了钠离子的扩散速率，降低了电荷转移电阻。
4. 全电池性能：Bi@MC//NVP全电池在0.5 A g⁻¹的电流密度下循环100次后，容量保持率为77.5%。

5. 结论与意义

本研究成功制备了一种核壳结构的Bi@MC复合材料，通过介孔碳外壳有效缓解了铋负极的体积膨胀问题，同时提高了钠离子的扩散速率。Bi@MC在倍率性能和循环稳定性方面表现出色，为钠离子电池的负极材料设计提供了新的思路。此外，Bi@MC//NVP全电池的高能量密度展示了其在储能领域的应用潜力。

6. 研究亮点

1. 创新性材料设计：通过核壳结构和介孔碳外壳的设计，解决了铋负极的体积膨胀问题。
2. 优异的电化学性能：Bi@MC在高电流密度下表现出高比容量和长循环寿命。
3. 全电池应用：Bi@MC与NVP正极组装的电池能量密度达到182 Wh kg⁻¹，展示了其在实际应用中的潜力。

7. 其他有价值的内容

研究还通过动力学分析揭示了Bi@MC的优异性能机制，表明介孔碳外壳不仅缓解了体积膨胀，还促进了钠离子的快速扩散。此外，研究团队还提供了详细的材料制备和表征方法，为后续研究提供了参考。

综上所述，本研究通过创新的材料设计和系统的实验验证，为钠离子电池负极材料的开发提供了重要的理论和实践指导。