1成果简介 

　　钠离子电池（SIBs）凭借钠资源丰富、成本低廉、低温性能优异等优势，被视为大规模储能和低速电动车的理想选择。然而，钠离子电池的发展长期受制于负极材料的性能瓶颈——石墨在常规电解液中难以可逆储钠，硬碳虽成熟但容量有限（~300 mAh g⁻¹），合金型负极虽容量高但体积膨胀严重。铋（Bi）作为合金型负极材料，凭借超高理论体积比容量（3765 mAh cm⁻³）和适中的氧化还原电位（~0.5 V vs. Na⁺/Na），在钠离子电池中展现出巨大潜力。Bi在充放电过程中与Na形成NaBi和Na₃Bi合金，提供高达385 mAh g⁻¹的质量比容量，且工作电位适中，可有效避免钠枝晶形成。然而，Bi负极面临的核心挑战是巨大的体积变化——合金化/去合金化过程中体积膨胀高达~200–300%，导致电极结构粉化、电接触丧失、SEI反复破裂再生，最终造成容量快速衰减和循环寿命极差。为解决Bi负极的体积膨胀难题，研究者们发展了多种策略：纳米化（缩短离子扩散路径但增大比表面积）、碳复合（缓冲体积膨胀但难以完全抑制）、结构设计（中空/多孔结构提供膨胀空间但合成复杂）。然而，现有策略往往难以同时满足可扩展制备、结构稳定、长循环寿命三重需求。

　　本文，广东工业大学许希军等研究人员在《Batteries & Supercaps》期刊发表名为"Scalable Carbonthermal Synthesis of Hierarchical Bi@C Anode for Superior Sodium‐Ion Batteries"的论文。该研究创新性地开发了可扩展的碳热还原法，合成了分级Bi@C微砖结构，碳基质有效抑制了Bi的体积膨胀并保持了循环过程中的结构稳定性，实现了铋基钠离子电池负极的超长循环寿命。

　　该工作的核心创新在于：(1) 可扩展碳热合成工艺——碳热还原法工艺简单、产量高、易于放大，为Bi@C负极的规模化制备提供了可行路径；(2) 分级Bi@C微砖结构——Bi纳米颗粒均匀嵌入碳基质中，形成"砖-泥"分级结构，碳基质既缓冲体积膨胀又保持电接触，微砖形态提供短程离子扩散通道；(3) 超长循环稳定性——0.5 A g⁻¹下700循环后容量保持335.09 mAh g⁻¹，1.0 A g⁻¹下900循环后容量保持307.32 mAh g⁻¹，远超多数已报道的Bi基负极；(4) 动力学增强机制——多级碳复合结构有效增强Na⁺扩散动力学，赋予优异倍率性能。

　　2图文导读

　　图1、(a) Schematic diagram of the synthesis process for hierarchical Bi@C, (b)–(d) low-/high magnification SEM images of hierarchical Bi@C.

　　图2、(a) TEM image and (b) HRTEM (b1: lattice spacing, b2: SAED image) of Bi@C, (c) HAADF image and corresponding EDX mapping signals of Bi@C.

　　图3、(a) XRD pattern, (b) Raman spectra, (c) nitrogen adsorption/desorption isotherms, and (d) corresponding pore size distribution curve of Bi@C. (e) TGA curve of Bi@C. High-resolution XPS spectra of (f) C 1s, (g) Bi 4f, (h) O 1s, and (i) N 1s of Bi@C.

　　图4、(a) CV curves of Bi@C at a scanning rate of 0.1 mV s−1. (b) GCD curves of Bi@C and (c) the corresponding rate performance from 0.1 to 40 A g−1. (d) Rate capability comparison with reported Bi-based anode materials for SIBs. (e) Long-term cycling performance of Bi@C and pure Bi at 0.5 A g−1. (f) GCD curves of Bi@C at 0.5 A g−1. (g) Long-term cycling performance of Bi@C at 1.0 A g−1.

　　图5、(a) CV curves of Bi@C at different scanning rates (0.2−1 mV s−1). (b) Linear relationship between log(i) and log(v) corresponding to different REDOX peaks. (c) Comparison of the capacity contribution of pseudocapacitance control and diffusion control of Bi@C. (d) GITT test of Bi@C. (e) In situ EIS spectra of Bi@C during the first cycle. (f) DRT curves and (g) the corresponding contour map.

　　3小结 

　　总而言之，该工作创新性地开发了可扩展的碳热合成法，构筑了分级Bi@C微砖结构，碳基质有效抑制了Bi的体积膨胀并保持了循环过程中的结构稳定性，实现了铋基钠离子电池负极的超长循环寿命。核心发现与贡献包括：

　　1. 可扩展碳热合成新工艺——碳热还原法工艺简单、产量高、易于放大，无需复杂溶剂和后处理，为Bi@C负极的规模化制备提供了可行路径，解决了合金型负极"实验室性能优异但难以放大"的共性难题；

　　2. 分级Bi@C微砖结构设计——Bi纳米颗粒均匀嵌入碳基质形成"砖-泥"分级结构，碳基质既缓冲体积膨胀又保持电接触，微砖形态提供短程离子扩散通道，三者协同实现了结构稳定性和动力学性能的双重优化；

　　3. 超长循环稳定性突破——0.5 A g⁻¹下700循环后容量保持335.09 mAh g⁻¹，1.0 A g⁻¹下900循环后容量保持307.32 mAh g⁻¹，远超多数已报道的Bi基负极，证明了分级碳复合结构对体积膨胀的有效抑制；

　　4. 动力学增强机制揭示——多级碳复合结构有效增强Na⁺扩散动力学（D_Na~10⁻¹⁰–10⁻¹² cm² s⁻¹），电容控制贡献提升倍率性能，碳基质优化SEI形成减少界面阻抗，为合金型负极的理性设计提供了理论指导。

　　该工作为合金型钠离子电池负极提供了"分级碳复合+可扩展合成"新范式，"Bi@C微砖"策略可拓展至Sb、Sn、P等其他合金型负极体系，在大规模储能、低速电动车和备用电源领域具有广阔应用前景。

　　文献：