郭再萍/孙志鹏AM：2D-层状Bi到准1D-结构NiBi3，结构维度降低，提高钠/钾离子储存性能

铋（Bi）具有分层结构和半金属导电性，作为Na/K离子电池的合金类负极材料（385 mAh g⁻¹），由于其较大的体积容量（基于Na₃Bi为1088 mAh cm⁻³，基于六方K₃Bi为737 mAh cm⁻³）和低氧化还原电位（~0.55 V vs. Na⁺/Na，~0.48 V vs. K⁺/K），已经得到广泛研究。然而，由于Na离子和K离子的较大离子半径，Bi负极在循环过程中会发生较大的体积变化，导致材料粉化和电极与电解质之间持续的副反应。此外，Bi负极的皱褶层状结构和半金属导电性限制了电子传递和Na/K离子扩散。因此，缓冲Bi负极的大体积膨胀，提高电子传导性和Na/K离子扩散性对于增强电化学性能至关重要。

在此，阿德莱德大学郭再萍教授、广东工业大学孙志鹏教授等人提出并发展了一种结构维度减少策略，通过将二维分层结构的Bi转化为具有增强反应动力学和可逆性的准一维结构NiBi₃用于Na/K离子存储，以实现其高倍率和稳定循环性能。

研究发现，具有低形成能、金属导电性和三维Na/K离子扩散途径的准一维金属间化合物NiBi₃，在经过15000次循环后，Na离子存储具有出色的容量保持率达到94.1％（332 mAh g⁻¹），而在K离子存储中该材料表现出93.4％的首次库仑效率（ICE），其容量保持率也得到显著提升。

图1. NiBi₃结构表征

总之，该工作通过将层状Bi和Ni结合起来，成功合成了准一维结构的NiBi₃，以开发用于钠/钾离子储存的新型负极材料。由于准一维结构的优越性，NiBi₃具有金属导电性和三维的钠/钾离子扩散通道。在作为钠/钾离子储存的阳极材料时，NiBi₃负极在15000次循环后，钠储存的容量保持率为94.1%，钾储存的初始库仑效率为93.4%。

非原位XRD分析揭示了NiBi₃在钠储存中经历了一个对称的反应机制，NiBi₃⇌Ni + NaBi + Na₃Bi，而在钾储存中则经历了一个非对称的反应机制，NiBi₃→ Ni + K₃Bi → Ni + KBi₂→ NiBi₃。这两种反应由于NiBi₃的低形成能而具有很高的可逆性。此外，非原位SEM研究表明，NiBi₃电极在循环过程中可以自发地转变为纳米多孔结构，有助于容纳体积膨胀并缩短钠离子的传输路径。这项研究为设计新型钠/钾离子电池的负极材料提供了一种新策略。

图2. NiBi₃负极在钾离子电池中的电化学性能

2D-Layer-Structure Bi To Quasi-1D-Structure NiBi3: Structural Dimensionality Reduction to Superior Sodium and Potassium Ion Storage, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202305551

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