破纪录！创新高！清华杨诚联手港城大支春义，最新JACS！

第一作者：朱浩杰

通讯作者：杨诚，支春义

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院，香港城市大学

杨诚，清华大学深圳国际研究生院材料研究院长聘副教授，博士生导师。研究领域：纳米材料形态调控学、先进能源材料、先进电子材料。已承担国家自然科学基金委员会项目、国家科技部高端人才项目、广东省科技厅项目、湖南省发展和改革委员会项目、深圳市科技创新委员会项目等40多个科研项目。（信息来源：https://www.sigs.tsinghua.edu.cn/yc/）

支春义，香港城市大学材料科学与工程系教授，香港青年科学院院士、英国皇家化学会会士、Clarivate高被引研究员（2019-2022，材料科学）和RGC高级研究员。主要研究方向为BCN纳米结构的性质研究。（信息来源：http://www.comfortablenergy.net/）

论文速览

开发基于高丰度海洋元素（例如F⁻、Cl⁻和Br⁻）的新型阴离子电池系统是当前金属阳离子（例如Li⁺、Na⁺）电池技术的有力补充。铋（Bi）作为阴离子特异性的负极材料，因其在体积膨胀和结构坍塌方面存在问题，限制了在氯离子存储中的应用。

本研究揭示了单晶Bi纳米球（R3m群）中独特的类外延转换机制，这种机制通过Cl⁻嵌入在夹层空间实现，显著抑制了颗粒粉碎和容量衰减。Bi纳米球负极在初次转化反应后能自发展转变为坚固的BiOCl纳米片交织结构。

该Bi负极展示了创纪录的高容量249 mAh g⁻¹（约1.2 mAh cm⁻²），在0.25 C下可维持超过1400小时，仅损失20%的容量。当与普鲁士蓝正极配对时，全电池能提供127.1 mgCl gBi⁻¹的超高容量。本研究为理解转化型负极结构奠定了里程碑，是水系电池商业化的重要一步。

图文导读

图1：R3m型Bi的氯化机制和结构设计原理。

图2：单晶R3m型Bi纳米球的分阶段结构和反应分布。

图3：转化反应机制的研究及非原位拉曼光谱分析。

图4：Bi纳米球电极在水系氯离子电池中的Cl存储性能。

图5：电化学工作原理、电池寿命和能量回收。

总结展望

本研究通过揭示Bi纳米球中独特的类外延转换机制，为解决转化型电池化学中的体积膨胀和颗粒粉碎问题提供了新的解决途径。R3m型Bi负极展现出的高容量和长期稳定性，以及在脱盐电池中的应用潜力，为可持续水系电池的发展开辟了新的机会。

未来研究中，类外延转换机制有望扩展到具有大层间距的金属或双金属负极的离子插层系统中，为高性能可充电电池的发展提供新思路。

文献信息

标题：Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c05337

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