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鉍（Bi）已成為用于快速充電和長循環鈉離子電池（SIB）的有前途負極材料。然而，其在循環過程中顯著的體積變化會導致活性材料的粉化，嚴重限制Bi基電極的電化學性能。構建中空納米結構被認為是解決合金型負極體積膨脹問題的有效方法，但對于金屬Bi來說仍然是一個巨大的挑戰。

在此，西南交通大學楊維清教授、劉妍副教授及中國工程物理研究院化工材料研究所周斌等人報道了一種簡便的碘離子輔助電偶置換方法，用于合成用于高速、長期和高容量鈉存儲的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）作為結構模板和還原劑。

然后，將Cu NWs添加到BiI₃-N, N’-二甲基丙烯脲（DMPU）溶液中以引發電偶置換反應，并將反應混合物在室溫下保持72小時以確保Cu NWs完全轉化為Bi NTs。所獲得的Bi-NTs具有以下結構優點：中空管狀結構有效地緩解了鈉化/脫鹽過程中的結構應變，結構穩定性好；同時，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

得益于上述結構優勢，Bi NTs電極表現出非凡的倍率性能（在150 A g^-1時容量保持率為84%）和出色的循環穩定性（在50 A g^-1時65000次循環后容量保持率為74%），這代表了SIB所有報道的負極中最好的倍率性能和最長的循環壽命。此外，當該電極與Na₃(VOPO₄)₂F正極耦合組裝為全電池時也表現出良好的循環性能（10 A g^-1時550次循環后仍保持181 mAh g^-1的高容量，對應94%的保持率），顯示出Bi NTs在實際應用中的巨大前景。

結合電化學分析、原位/非原位TEM和原位XRD表征分析，作者發現電極的優異性能源于Bi NTs的結構穩定性和循環過程中的快速電化學動力學。總之，這項工作為設計和構建超穩定和高倍率的合金型負極材料提供了途徑，這將有助于開發安全、長壽命和快速充電的SIBs。

圖2. Bi NTs//Na₃(VOPO₄)₂F全電池的電化學性能

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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楊維清/劉妍/周斌ACS Nano: 破紀錄！用于超快/超穩定鈉存儲的鉍納米管

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