作為傳統(tǒng)鋰離子電池的重要補充,鈉離子電池的開發(fā)將有望緩解鋰資源短缺引起的儲能受限問題。拓撲絕緣體因其高表面導電性的特點,在磁阻器件、光電子器件和自旋電子等領(lǐng)域的應用前景而受到世界各國的廣泛關(guān)注。然而,它在電化學儲能方面的潛力尚未得到充分的開發(fā)和利用。新型三維拓撲絕緣體Bi2Te3由于其較大的層間距(10.16 Å)和良好的導電性有助于設計高性能鈉離子電池。但是,其儲鈉機理尚不明確。在設計電極材料之前,從理論和實驗上探索其儲鈉機理是十分必要的。
【工作介紹】
近日,鄭州大學李丹課題組等人利用簡單的溶劑熱法合成了Bi2Te3納米片,并通過吡咯的聚合包覆制備了Bi2Te3@PPy納米復合材料。對該復合材料進行了電化學性能測試,并且采用CV、原位XRD和非原位HRTEM對其儲鈉機理進行了探究。電化學測試結(jié)果表明,在Bi2Te3自身的高表面導電性和導電聚合物包覆層的協(xié)同作用下,Bi2Te3@PPy復合材料實現(xiàn)了高倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性。并通過密度泛函理論計算(DFT)解釋了其具有良好的儲鈉動力學原因。研究成果以“Exploring Sodium Storage Mechanism of Topological Insulator Bi2Te3 Nanosheets Encapsulated in Conductive Polymer”為題發(fā)表在期刊Energy storage Materials上,碩士生劉曉鋒和司玉冰副教授為本文共同第一作者,李丹副教授為通訊作者。
【內(nèi)容表述】
DFT結(jié)果表明, Bi2Te3和導電聚合物PPy之間的相互作用是由弱范德華力(0.96 eV)主導的,且PPy 和 Bi2Te3 之間的間距約為 4.26 Å,較大的通道可以確保鈉離子的快速擴散,有效地提高電化學反應動力學。此外,當 PPy 吸附在Bi2Te3 表面時,體系的帶隙縮小,說明復合材料電導率,有助于電子的快速傳輸。
圖1. (a)由Bi2Te3@PPy和金屬鈉組成的鈉離子半電池示意圖,(b)優(yōu)化后的Bi2Te3側(cè)視圖,其中黃色的球代表Te,紫色的球代表Bi,(c)Bi2Te3@PPy的差分電荷圖,黃色和藍色面分別表示電子的吸附和脫附,(d)計算得到的Bi2Te3@PPy、Bi2Te3和PPy的態(tài)密度。
得益于電導率高和均勻的導電層包覆,該復合材料電極在 5.0 A g-1的大電流密度下經(jīng)過 1000 次循環(huán)后,仍有165.3 mA h g-1 的比容量,顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖2. (a)Bi2Te3@PPy的循環(huán)伏安圖,(b)Bi2Te3的循環(huán)伏安圖,(c)Bi2Te3@PPy和Bi2Te3在電流密度為2 A g−1下的循環(huán)性能圖,(d)Bi2Te3@PPy電極在電流密度2 A g−1下的充放電曲線圖,(e)Bi2Te3@PPy和Bi2Te3在不同電流密度下的倍率性能圖,(f)Bi2Te3@PPy在不同電流密度下的充放電曲線圖,(g)Bi2Te3@PPy和Bi2Te3在電流密度為5 A g−1下的長循環(huán)性能比較圖。
通過CV曲線、原位XRD和非原位HRTEM對Bi2Te3@PPy復合材料的儲鈉機制進行了分析(圖3和圖4),得到Bi2Te3@PPy復合材料的具體鈉化/脫鈉過程:
放電過程:
充電過程:
圖3. (a)原位XRD得到的二維等高線圖,(b)不同電位狀態(tài)下的XRD圖,(c)Bi2Te3@PPy電極放電到0.01 V和充電到3.0 V時對應的HRTEM圖和元素分布圖,(d)Bi2Te3@PPy反應機理示意圖。
圖4. Bi2Te3@PPy在(a)放電到0.62 V的非原位HRTEM圖,(b)充電到0.63 V的非原位HRTEM圖。
【結(jié)論】
本工作采用簡單的溶劑熱方法制備了Bi2Te3納米片前驅(qū)體,隨后在溶液中通過吡咯單體引發(fā)聚合并均勻地包覆在Bi2Te3納米片表面,合理地設計并構(gòu)建了Bi2Te3@PPy納米復合材料。Bi2Te3@PPy復合材料所體現(xiàn)的優(yōu)異的電化學性能可以歸因于Bi2Te3具有較大的層間距,可以儲存更多的鈉離子,并為鈉離子提供了快速的傳輸通道,促進了反應動力學。同時,導電聚合物的包覆不僅有效地緩解了體積膨脹,提高了電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,而且增加了反應活性位點并提高了復合物的電導率。通過密度泛函理論計算技術(shù)全面了解了Bi2Te3@PPy在鈉離子存儲過程中的反應動力學特性。通過CV、原位XRD和非原位HRTEM等技術(shù)手段分析了Bi2Te3@PPy的多級儲鈉機理。為拓撲絕緣體作為鈉離子電池負極材料提供了可靠的實驗和理論經(jīng)驗。
原標題:鄭州大學李丹課題組:導電聚合物封裝的拓撲絕緣體Bi2Te3納米片的儲鈉機理探究