Sb和Bi等金屬具有容量大、反應(yīng)電位低等特點，是鈉離子電池重要的負(fù)極材料。然而，鈉儲存時應(yīng)力和應(yīng)變的積累會導(dǎo)致裂紋和斷裂的形成，從而導(dǎo)致電極在長時間循環(huán)時失效。

蘇州大學(xué)倪江鋒、李亮等報道了具有成分梯度的Bi_xSb_1-x雙金屬合金薄膜的設(shè)計和構(gòu)造，以減輕固有的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。

圖1 FEA模擬雙金屬合金薄膜固溶體或梯度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布

這種梯度Bi_0.33Sb_0.67(G- Bi_0.33Sb_0.67)薄膜是通過控制電沉積具有不同Bi:Sb比率的溶液來制備的。Bi和Sb濃度的梯度變化呈現(xiàn)在從薄膜底部到頂部的垂直方向上，頂部富含Sb的高容量成分，貢獻(xiàn)了大部分容量，而底部富含低容量Bi，有助于降低薄膜與基板之間的界面應(yīng)力。有限元分析（FEA）證實，與Bi_0.33Sb_0.67(S- Bi_0.33Sb_0.67)的固溶體相比，梯度設(shè)計顯著降低了鈉化時電極膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖2 雙金屬合金薄膜的儲鈉性能

值得注意的是，G- Bi_0.33Sb_0.67薄膜在2 C下的容量約為500 mAh g^-1，經(jīng)過1000次循環(huán)后仍維持初始容量的82%，大大優(yōu)于固溶體對應(yīng)物和許多報道的合金負(fù)極。此外，梯度膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，在10 C的高倍率下可提供319 mAh g^-1。

值得注意的是，這種膜還具有6.8 g cm^-3的高堆積密度，這對于微電池為微電子器件供電至關(guān)重要且獨一無二。這種梯度設(shè)計可以為設(shè)計由于儲能時體積變化巨大而結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的高容量負(fù)極材料開辟了可能性。

圖3 電化學(xué)循環(huán)中電極演化的比較

Structurally Durable Bimetallic Alloy Anodes Enabled by Compositional Gradients. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202201209