金属铋储量丰富，有较高的理论比容量，以及较合适的电压等优点，被认为是很有前景的钠离子电池负极材料之一。然而，循环过程中巨大的体积变化会导致其电化学性能严重下降，从而限制了其实际应用。近日，太原理工大学王孝广教授团队在 Small 期刊发表了题为“新型铋纳米花锚定在氮掺杂碳框架中作为高性能钠离子电池的超级复合负极材料”的研究成果，课题组通过简便的溶热法和绿色清洁的碳化策略，巧妙设计了一种金属铋的纳米花状结构，并将其均匀分散的锚定在氮掺杂碳框架中。将复合材料用于钠离子电池负极时，表现出较高的储钠电化学特性。
通过分析表征Bi@NC复合电极材料可以发现其独特的三维复合电极结构呈现出多个明显的优势：Bi纳米花粒子均匀分散的嵌入到具有较高N含量掺杂的碳多孔框架中，多孔碳框架对铋的包覆作用缓解了Bi负极材料在放电和充电过程中的巨大体积膨胀。纳米花结构的活性材料Bi具有较大比表面积和活性位点，有助于增强电极材料与电解液的浸润性。同时，Bi@NC复合材料独特的三维多孔结构显著的缩短了钠离子的扩散路径，从而提高了Bi@NC复合材料用于SIB负极的比容量和倍率性能。高含量的N掺杂到独特的三维碳框架网络中会引入缺陷位点，并在整个Bi@NC复合材料中重新分布N-C位点的电荷密度，提升Bi@NC电极的倍率性能。在钠离子半电池方面，该电极表现出较高的比容量，在0.1 A g-1时为384.8 mAh g-1，同时拥有优异的倍率性能，在10 A g-1时为341.5 mAh g-1，在10A g-1下循环5000次后，容量保持率仍为 94.9%。此外，以磷酸钒钠正极和铋纳米复合材料负极组装的全电池在0.1 Ag-1下可提供251.5 mAh g-1的高放电比容量，在5.0 A g-1下循环2000次后，每次容量衰减仅为 0.009%。这项工作为钠离子电化学存储技术领域的高性能电极提供了一种便捷、低成本和环保的方法。
氮掺杂碳框架锚定铋纳米花的复合材料在结构上有利于钠离子的快速嵌入/脱出，在碳框架的限制下可以改善铋电极的循环衰减问题，有效提升了电极材料的稳定性，使其在长循环过程中能够保持结构稳定。这项工作中复合材料的结构设计充分利用不同电极种类的优势，将碳材料和金属铋材料的优点结合发挥出来。该研究为高效储能电极的设计与长寿命钠离子电池负极材料的合成提供了一种有效的方法和思路。
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https://doi.org/10.1002/smll.202304265
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