刘波老师课题组

苏州科技大学

1、老师简介

刘波老师是苏州科技大学材料科学与工程学院，研究员，中国科学院上海微系统与信息技术研究所兼职研究员，齐鲁工业大学客座教授。主要从事纳米光电材料与器件相关研究工作。负责和参与科研项目包括国家纳米重大科学研究计划（973）等合计60余项；已发表期刊论文317篇（SCI论文230篇），授权中国发明专利119项、美国发明专利5项。

2、论文研究背景

随着柔性电子设备的蓬勃发展，探索开发高性能的柔性储能系统愈发关键。其中，柔性锂离子电池在柔性电子和可穿戴设备的实际应用中已经取得了重大进展，然而，有限锂资源导致的高成本和不可控锂枝晶形成导致的安全风险对其进一步开发和应用构成了挑战。因此，迫切需要开发具有高天然丰度、低成本和高安全性的替代电池系统。可充电镁离子电池有望成为锂基电池系统的可靠替代品，因为镁资源丰富且成本低廉，理论比容量高，具有合适的还原电位，在电化学沉积/溶解过程中不会形成树枝状晶体，具有高操作安全性。然而关于镁离子电池柔性电极材料的研究极少。近年来，静电纺丝被公认为是制造3D多孔膜的最方便、最具成本效益和行业可行性的技术之一，越来越多的研究人员正专注于将电纺纳米纤维基复合材料用作柔性电极。

3、论文亮点/摘要

随着柔性电子技术的空前发展，开发与之匹配的柔性供电系统势在必行。镁离子电池（MIB）作为一种有前途的下一代电池系统，显示出作为柔性电子设备电源的巨大潜力。然而，柔性镁离子电池的研究仍处于起步阶段，探索新型可靠的柔性电极至关重要。本文通过静电纺丝法结合原位热还原工艺，制备了一种无粘结剂且柔性的自支撑电极，该电极由双金属Bi-Sn纳米颗粒锚定在碳纳米纤维（CNF@Bi-Sn）中构成，并首次应用于镁离子电池。CNF@Bi-Sn同时集成了多级孔结构碳纳米纤维框架、均匀分散的纳米级Bi-Sn颗粒以及增加的相/晶界等优势，这些特性有助于提高柔性电极材料的结构稳定性并促进Mg2+的扩散动力学。CNF@Bi-Sn合金负极表现出优异的电化学性能，高的初始比容量738mAhg−1，出色的倍率性能和循环稳定性，在40mAg−1的电流密度下循环100次后仍保持150mAhg−1的可逆容量。本工作通过定量动力学分析、非原位SEM、TEM和XRD等手段，揭示了循环过程中柔性电极材料的结构演变以及基于可逆两相合金化/脱合金化转化反应的镁存储机制。此外，还组装了全电池，展示了其在实际应用中的潜力。该研究为探索与开发具有高性能的柔性自支撑合金负极提供了新的思路。

4、图文解析

图1： CNF@Bi-Sn的制备示意图及其柔性展示。

一：Bi-Sn纳米颗粒均匀锚定在碳纳米纤维中作为镁离子电池的柔性自支撑负极

静电纺丝和原位热还原的方法制备了一种负载双金属Bi-Sn纳米粒子的柔性薄膜（CNF@Bi-Sn），其表现出良好的柔性，可以承受各种形变（弯曲、扭曲、折叠等）。在组装电池过程中没有使用集流体、导电剂和粘结剂等。通过SEM和TEM可以看出Bi-Sn纳米颗粒均匀分布在碳纳米纤维中。

图2：展示了CNF@Bi-Sn的SEM图像（a, b）；CNF@Bi-Sn的TEM图像（c, d）；HAADF-STEM图像及相应的C、Bi和Sn元素分布图（e-h）；CNF@Bi-Sn的HR-TEM图像（i, j）以及CNF@Bi-Sn的选区电子衍射（SAED）图像（k, l）。

二：CNF@Bi-Sn表现出较高的可逆容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性

CNF@Bi-Sn具有738mAhg-1的高初始比容量，经过不同倍率循环后，其放电比容量可恢复到214 mAhg-1，证明了CNF@Bi-Sn电极具有良好的倍率性能。并且在40mAg-1的电流密度下100次循环后仍能保持150mAhg-1的较高可逆容量。

图3：展示了样品的电化学储镁性能。（a）CNF@Bi-Sn在0.1mVs−1扫描速率下的循环伏安曲线（CV曲线）；（b）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的倍率性能；（c）CNF@Bi-Sn在不同电流密度下的充放电曲线；CNF@Bi-Sn在40mAg-1电流密度下循环100次的循环性能（d）及在100 mAg-1电流密度下循环200次的循环性能（e）；（f）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的奈奎斯特图（插图为其对应的等效电路模型）；（g）CNF@Bi-Sn电极在不同扫描速率下的CV曲线；（h）不同扫描速率下电容控制容量和扩散控制容量的贡献比例。

三：通过非原位表征揭示了镁化/去镁化过程中的结构演变和储镁机制

通过非原位SEM、TEM和XRD等表征方法对CNF@Bi-Sn在镁化/去镁化过程中的形貌和结构演变进行了研究。TEM证明了CNF@Bi-Sn电极在完全放电（嵌镁）和充电（脱镁）后，Bi-Sn纳米颗粒仍然被很好地包裹并均匀地分散在碳纳米纤维中，这有效缓解了它们在合金化过程中体积变化并防止了活性材料的损失。EDS结果表明，在放电状态Bi、Sn和Mg元素在碳基质中均匀分布，非原位XRD也证实了CNF@Bi-Sn电极的储镁机理是基于可逆的两相合金化/去合金化转变反应。

图4：展示了CNF@Bi-Sn在完全放电状态下循环20次后的SEM图像（a）、TEM图像（b,c）、HAADF-STEM图像及相应的Bi、Sn和Mg元素分布图（d）、HR-TEM图像（e）、XRD图谱（f），以及CNF@Bi-Sn电极在充放电状态下结构演变的示意图（g）。

5、本文所用设备

刘波老师课题组在实验中所用微型助力管式炉由科幂仪器提供，论文中也特别提到安徽科幂仪器有限公司，在此非常感谢老师对科幂仪器的选择和认可。

科幂仪器

安徽科幂仪器有限公司（Anhui Kemi Instrument Co.,LTD.）成立于2014年，总部设在安徽省合肥市，拥有近万平方米的研发制造基地。公司持有A2级中国特种设备(压力容器制造)生产资格许可证，是一家专注于科研仪器设备和中小试及产业化合成反应装备研发、制造的国家高新技术企业。

科幂仪器依托中国科学技术大学等雄厚的科研力量，研制了多款具有自主知识产权的合成反应设备。技术驱动、方案营销，专注于非标方案的设计和多维立体化服务。产品已成功进驻国内所有985、211高校实验室及新材料、新能源、生物制药、生态环境等战略新兴产业头部企业，并远销欧美、澳洲、中东等地，覆盖国内外科研及企业客户20000余家，助推研发应用4000余项，助力用户发表SCI（一区）论文900余篇。      

作为央视《中国品牌故事》入选企业、安徽省专精特新企业、合肥市工业设计中心，科幂仪器秉承“严谨专业·创新高效·精益求精·创造价值”的科幂精神，致力于用专业和品质推动产业化的发展，为科研工作者加速取得科研成果提供更加“安全·便捷·精确·高效”的仪器设备。

公司主营科研仪器设备和中小试及产业化合成反应装备。如：水热釜、快开式高压反应釜、高温炉式设备（热解炉/CVD炉/回转炉/真空炉/热重炉等）、固定床、催化剂评价装置、光催化反应装置、LED单波长光源、非标定制设备等。如有需要请联系各销售经理或在公众号下方留言，咨询热线：400-8855-630。