杨维清/刘妍/周斌ACS Nano: 破纪录！用于超快/超稳定钠存储的铋纳米管

铋（Bi）已成为用于快速充电和长循环钠离子电池（SIB）的有前途负极材料。然而，其在循环过程中显著的体积变化会导致活性材料的粉化，严重限制Bi基电极的电化学性能。构建中空纳米结构被认为是解决合金型负极体积膨胀问题的有效方法，但对于金属Bi来说仍然是一个巨大的挑战。

在此，西南交通大学杨维清教授、刘妍副教授及中国工程物理研究院化工材料研究所周斌等人报道了一种简便的碘离子辅助电偶置换方法，用于合成用于高速、长期和高容量钠存储的Bi纳米管（NTs）。其中，Bi NTs的具体制备过程如下：首先，采用平均直径约为48 nm的Cu纳米线（NW）作为结构模板和还原剂。

然后，将Cu NWs添加到BiI₃-N, N’-二甲基丙烯脲（DMPU）溶液中以引发电偶置换反应，并将反应混合物在室温下保持72小时以确保Cu NWs完全转化为Bi NTs。所获得的Bi-NTs具有以下结构优点：中空管状结构有效地缓解了钠化/脱盐过程中的结构应变，结构稳定性好；同时，薄的壁和大的表面积使钠离子的超快传输成为可能。

图1. Bi NTs电极在充放电过程中的原位XRD研究

得益于上述结构优势，Bi NTs电极表现出非凡的倍率性能（在150 A g^-1时容量保持率为84%）和出色的循环稳定性（在50 A g^-1时65000次循环后容量保持率为74%），这代表了SIB所有报道的负极中最好的倍率性能和最长的循环寿命。此外，当该电极与Na₃(VOPO₄)₂F正极耦合组装为全电池时也表现出良好的循环性能（10 A g^-1时550次循环后仍保持181 mAh g^-1的高容量，对应94%的保持率），显示出Bi NTs在实际应用中的巨大前景。

结合电化学分析、原位/非原位TEM和原位XRD表征分析，作者发现电极的优异性能源于Bi NTs的结构稳定性和循环过程中的快速电化学动力学。总之，这项工作为设计和构建超稳定和高倍率的合金型负极材料提供了途径，这将有助于开发安全、长寿命和快速充电的SIBs。

图2. Bi NTs//Na₃(VOPO₄)₂F全电池的电化学性能

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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