近日，威廉希尔官网王鸣生教授课题组在锂电负极材料研究方面取得重要进展。该研究设计和制备了Bi2S3与氮掺杂介孔碳的中空核壳结构复合负极，这种负极材料具有优异的倍率性能和良好的循环稳定性（700圈，在1.0 A g-1下比容量为501 mA h g-1，容量保持率为85% ）。首次通过原位透射电子显微镜、X射线衍射、NMR和理论计算模拟，阐明了Bi2S3纳米线负极相变、结构演变和锂化动力学的主要机理。
利用原位透射电子显微镜技术的观察表明，单纯Bi2S3纳米线的首次锂化会造成其直径方向剧烈膨胀和长度方向的弯曲变形。碳包覆后，其首次锂化行为发生了较大变化，其在长度方向的弯曲变形受到了抑制，但纳米线在直径的方向的巨大膨胀会造成碳壳破裂。通过设计yolk@shell结构，Bi2S3纳米线核和外层的碳壳之间的空隙对纳米线的体积膨胀起到了很好的缓冲作用，外层碳壳及纳米线整体结构在锂化时没有什么变化。多次充放电循环的原位观察也得出了类似结果，显示了yolk@shell 结构对于维持Bi2S3纳米线负极结构稳定性的巨大优势。
另外，通过有限元模拟在宏观尺度上揭示了Bi2S3纳米线和碳壳之间的中空yolk@shell结构可以有效地容纳充锂过程中锂离子诱导的体积膨胀，同时保持结构的完整性。他们还在原子尺度上，借助量子密度泛函理论研究了其锂化动力学，计算了锂离子进入Bi2S3晶格的扩散能垒（0.57 eV），并利用第一性原理分子动力学模拟了锂离子进入Bi2S3晶格的动态演化过程。
该工作为更深入理解电极反应机理和揭示电化学性能提供了直观可靠的实验证据和理论阐释。相关成果以“Mechanistic Origin of the High Performance of Yolk@Shell Bi2S3@N-Doped Carbon Nanowire Electrodes”为题发表在ACS Nano上。王鸣生课题组的博士研究生赵龙泽和内布拉斯加大学林肯分校的博士后吴宏辉为该论文的共同一作。威廉希尔官网王鸣生教授和张桥保助理教授，以及内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授为本文共同通讯作者。
图1 各种基于Bi2S3的负极的锂化过程和循环示意图。（a）单纯的Bi2S3纳米线，（b）core@shell Bi2S3@C纳米线，（c）yolk@shell Bi2S3@C纳米线。氮掺杂介孔碳外壳和中空空间的结构特性可有助于减轻电化学诱导的机械降解，提高循环稳定性。但单纯的Bi2S3纳米线和core@shell Bi2S3@C纳米线在循环过程中很容易发生活性物质和SEI膜的机械降解。
图2 单根Bi2S3纳米线（a）初始、（b）一圈循环后、（c）两圈循环后、（d）多圈循环后；单根core@shell Bi2S3@C纳米线（e）初始、（f）一圈循环后、（g）两圈循环后、（h）多圈循环后；单根yolk@shell Bi2S3@C纳米线（i）初始、（j）一圈循环后、（k）两圈循环后、（m）多圈循环后的原位TEM照片。
论文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b07319
