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破紀(jì)錄！創(chuàng)新高！清華楊誠聯(lián)手港城大支春義，最新JACS！

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)、先進能源材料、先進電子材料。已承擔(dān)國家自然科學(xué)基金委員會項目、國家科技部高端人才項目、廣東省科技廳項目、湖南省發(fā)展和改革委員會項目、深圳市科技創(chuàng)新委員會項目等40多個科研項目。（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。主要研究方向為BCN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）中獨特的類外延轉(zhuǎn)換機制，這種機制通過Cl^?嵌入在夾層空間實現(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)閳怨痰腂iOCl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，僅損失20%的容量。當(dāng)與普魯士藍(lán)正極配對時，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的氯化機制和結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。

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納米球中獨特的類外延轉(zhuǎn)換機制，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)展開辟了新的機會。

未來研究中，類外延轉(zhuǎn)換機制有望擴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 Society

DOI：10.1021/jacs.4c05337

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