激光合成的亚稳态铋纳米晶与还原氧化石墨烯化学键合实现优异的储锂性能OA
Laser-synthesized metastable bismuth nanocrystals chemically bonded to reduced graphene oxide for excellent lithium storage
针对铋纳米颗粒与还原氧化石墨烯(rGO)在锂离子电池中存在的界面传输动力学瓶颈.本研究提出了一种新策略,通过液相脉冲激光辐照结合溶剂热反应,成功制备了超细铋纳米晶与还原氧化石墨烯的化学键合复合材料.尤为重要的是,初始激光合成的 5.5 nm亚稳铋纳米晶,在后续溶剂热过程中发生了晶格重构,尺寸收缩至 2 nm,据我们所知,此为Bi/C复合材料中已报道的最小尺寸.Bi纳米晶通过牢固的Bi―O―C界面键均匀锚定于rGO纳米片上,这不仅抑制了颗粒团聚,还建立了高效的离子/电子传输通道,并缓解了锂化过程中的体积膨胀.该结构不仅能有效抑制纳米晶的团聚,还构筑了高效的离子/电子传输通道,并显著缓解了循环过程中的体积膨胀.得益于上述结构优势,优化后的Bi-rGO-2负极(含 2 nm Bi)在 100 mA g-1 的电流密度下循环 500次后,可逆容量高达 586.7 mAh g-1,近乎是Bulk Bi/rGO复合负极(318 mAh g-1)的 2 倍.理论计算进一步证实,随着颗粒尺寸的减小,Bi与rGO之间的结合能增强,同时动力学分析揭示了Li+扩散加速.本工作通过亚稳纳米晶工程和共价界面耦合,为设计高性能合金负极提供了一条可扩展的途径.
The poor interface contact between Bi nanoparticles and reduced graphene oxide(rGO)hinders the transfer of ions/electrons for lithium-ion batteries.We propose an innovative approach for fab-ricating ultrafine bismuth nanocrystals chemically bonded to reduced graphene oxide(Bi-rGO)by li-quid-phase pulsed laser irradiation followed by a sol-vothermal reaction with graphene oxide.Metastable Bi nanocrystals synthesized by a laser(5.5 nm)are then combined with graphene oxide in a solvotherm-al process,undergoing lattice restructuring and shrinking to a record-small size of 2 nm,which is the smallest reported for Bi/C composites as far as we know.The Bi nanocrystals are uniformly anchored onto rGO nanosheets by strong Bi—O—C bonds,which not only suppress particle aggregation but also establish efficient ion/electron transport channels and alleviate volume expansion during lithiation.As a result,the Bi-rGO-2 anode consisting of 2 nm Bi nanocrystals has an exceptional reversible capacity of 586.7 mAh g-1 over 500 cycles under a current density of 100 mA·g-1,nearly doubling that of a Bulk Bi/rGO composite anode(318 mAh·g-1).Theoretical calculations confirm a higher binding energy between Bi and rGO at small particle sizes,while kinetic analysis reveals accelerated Li+diffusion.This work provides a scalable way to design high-performance alloy anodes through metastable nanocrystal engineering and covalent in-terface coupling.
苏延霞;张秀海;邱玉倩;班渺寒;张谨博;李崇;徐飞;王洪强
西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072||西安文理学院,陕西省表面工程与再制造重点实验室,陕西 西安 710065西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072||陕西彩虹新材料有限公司,陕西 咸阳 721000,中国西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072西北工业大学材料学院,凝固技术国家重点实验室,纳米能源材料中心,陕西省石墨烯联合实验室,陕西 西安 710072
化学化工
激光辐照技术亚稳态铋纳米晶体还原氧化石墨烯界面相容性锂存储
Laser irradiation technologyMetastable Bi nanocrystalsReduced graphene oxideInterface compatibilityLithium storage
《新型炭材料(中英文)》 2026 (2)
365-378,14
This work was supported by the National Key R&D Program of China(2024YFB4607600,2025YFE0119700),the National Natural Science Foundation of China(52322203,52473220),the Fun-damental Research Funds for the Central Universities,and the Key Research and Development Program of Xianyang City(L2024-ZDYF-ZDYF-GY-0011). 国家重点研发计划(2024YFB4607600,2025YFE0119700)、国家自然科学基金(52322203,52473220)、中央高校基本科研业务费咸阳市重点研发计划(L2024-ZDYF-ZDYF-GY-0011).
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