第一作者:朱浩杰通訊作者:楊誠,支春義通訊單位:清華大學(xué)深圳國際研究生院,香港城市大學(xué)楊誠,清華大學(xué)深圳國際研究生院材料研究院長聘副教授,博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域:納米材料形態(tài)調(diào)控學(xué)、先進(jìn)能源材料、先進(jìn)電子材料。已承擔(dān)國家自然科學(xué)基金委員會項(xiàng)目、國家科技部高端人才項(xiàng)目、廣東省科技廳項(xiàng)目、湖南省發(fā)展和改革委員會項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新委員會項(xiàng)目等40多個科研項(xiàng)目。(信息來源:https://www.sigs.tsinghua.edu.cn/yc/)支春義,香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授,香港青年科學(xué)院院士、英國皇家化學(xué)會會士、Clarivate高被引研究員(2019-2022,材料科學(xué))和RGC高級研究員。主要研究方向?yàn)锽CN納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)研究。(信息來源:http://www.comfortablenergy.net/)論文速覽開發(fā)基于高豐度海洋元素(例如F?、Cl?和Br?)的新型陰離子電池系統(tǒng)是當(dāng)前金屬陽離子(例如Li+、Na+)電池技術(shù)的有力補(bǔ)充。鉍(Bi)作為陰離子特異性的負(fù)極材料,因其在體積膨脹和結(jié)構(gòu)坍塌方面存在問題,限制了在氯離子存儲中的應(yīng)用。本研究揭示了單晶Bi納米球(R3m群)中獨(dú)特的類外延轉(zhuǎn)換機(jī)制,這種機(jī)制通過Cl?嵌入在夾層空間實(shí)現(xiàn),顯著抑制了顆粒粉碎和容量衰減。Bi納米球負(fù)極在初次轉(zhuǎn)化反應(yīng)后能自發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)固的BiOCl納米片交織結(jié)構(gòu)。該Bi負(fù)極展示了創(chuàng)紀(jì)錄的高容量249 mAh g?1(約1.2 mAh cm?2),在0.25 C下可維持超過1400小時(shí),僅損失20%的容量。當(dāng)與普魯士藍(lán)正極配對時(shí),全電池能提供127.1 mgCl gBi?1的超高容量。本研究為理解轉(zhuǎn)化型負(fù)極結(jié)構(gòu)奠定了里程碑,是水系電池商業(yè)化的重要一步。圖文導(dǎo)讀圖1:R3m型Bi的氯化機(jī)制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。圖2:單晶R3m型Bi納米球的分階段結(jié)構(gòu)和反應(yīng)分布。圖3:轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制的研究及非原位拉曼光譜分析。圖4:Bi納米球電極在水系氯離子電池中的Cl存儲性能。圖5:電化學(xué)工作原理、電池壽命和能量回收。總結(jié)展望本研究通過揭示Bi納米球中獨(dú)特的類外延轉(zhuǎn)換機(jī)制,為解決轉(zhuǎn)化型電池化學(xué)中的體積膨脹和顆粒粉碎問題提供了新的解決途徑。R3m型Bi負(fù)極展現(xiàn)出的高容量和長期穩(wěn)定性,以及在脫鹽電池中的應(yīng)用潛力,為可持續(xù)水系電池的發(fā)展開辟了新的機(jī)會。未來研究中,類外延轉(zhuǎn)換機(jī)制有望擴(kuò)展到具有大層間距的金屬或雙金屬負(fù)極的離子插層系統(tǒng)中,為高性能可充電電池的發(fā)展提供新思路。文獻(xiàn)信息標(biāo)題:Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage期刊:Journal of the American Chemical SocietyDOI:10.1021/jacs.4c05337