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楊維清/劉妍/周斌ACS Nano: 破紀(jì)錄！用于超快/超穩(wěn)定鈉存儲(chǔ)的鉍納米管

鉍（Bi）已成為用于快速充電和長(zhǎng)循環(huán)鈉離子電池（SIB）的有前途負(fù)極材料。然而，其在循環(huán)過程中顯著的體積變化會(huì)導(dǎo)致活性材料的粉化，嚴(yán)重限制Bi基電極的電化學(xué)性能。構(gòu)建中空納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是解決合金型負(fù)極體積膨脹問題的有效方法，但對(duì)于金屬Bi來說仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在此，西南交通大學(xué)楊維清教授、劉妍副教授及中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所周斌等人報(bào)道了一種簡(jiǎn)便的碘離子輔助電偶置換方法，用于合成用于高速、長(zhǎng)期和高容量鈉存儲(chǔ)的Bi納米管（NTs）。其中，Bi NTs的具體制備過程如下：首先，采用平均直徑約為48 nm的Cu納米線（NW）作為結(jié)構(gòu)模板和還原劑。

然后，將Cu NWs添加到BiI₃-N, N’-二甲基丙烯脲（DMPU）溶液中以引發(fā)電偶置換反應(yīng)，并將反應(yīng)混合物在室溫下保持72小時(shí)以確保Cu NWs完全轉(zhuǎn)化為Bi NTs。所獲得的Bi-NTs具有以下結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：中空管狀結(jié)構(gòu)有效地緩解了鈉化/脫鹽過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；同時(shí)，薄的壁和大的表面積使鈉離子的超快傳輸成為可能。

圖1. Bi NTs電極在充放電過程中的原位XRD研究

得益于上述結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，Bi NTs電極表現(xiàn)出非凡的倍率性能（在150 A g^-1時(shí)容量保持率為84%）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（在50 A g^-1時(shí)65000次循環(huán)后容量保持率為74%），這代表了SIB所有報(bào)道的負(fù)極中最好的倍率性能和最長(zhǎng)的循環(huán)壽命。此外，當(dāng)該電極與Na₃(VOPO₄)₂F正極耦合組裝為全電池時(shí)也表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能（10 A g^-1時(shí)550次循環(huán)后仍保持181 mAh g^-1的高容量，對(duì)應(yīng)94%的保持率），顯示出Bi NTs在實(shí)際應(yīng)用中的巨大前景。

結(jié)合電化學(xué)分析、原位/非原位TEM和原位XRD表征分析，作者發(fā)現(xiàn)電極的優(yōu)異性能源于Bi NTs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)過程中的快速電化學(xué)動(dòng)力學(xué)?？傊?，這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)和構(gòu)建超穩(wěn)定和高倍率的合金型負(fù)極材料提供了途徑，這將有助于開發(fā)安全、長(zhǎng)壽命和快速充電的SIBs。

圖2. Bi NTs//Na₃(VOPO₄)₂F全電池的電化學(xué)性能

Iodine-Ion-Assisted Galvanic Replacement Synthesis of Bismuth Nanotubes for Ultrafast and Ultrastable Sodium Storage, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c07472

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