In situ Electrochemical Construction of Bismuth Nanoparticles: Harnessing Intrinsic Favorable Heterointerfaces and Structural Confinement to Augment Sodium Storage

材料科学 纳米技术 纳米颗粒 原位 电化学 冶金 电极 有机化学 物理化学 化学
作者
Zipeng Wang,Yuhao Yi,Caifeng Zhao,Jiangli Luo,Tiantian Liu,Y. J. Zeng,Chuanqi Li,Lei Tan,Xin Du,Dan Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202425694
摘要

Abstract Metallic bismuth (Bi), exhibiting remarkable theoretical specific and volumetric capacities alongside a low and stable operational voltage, stands out as an attractive anode candidate. Herein, in situ formed ultrafine Bi nanoparticles (ISFU‐Bi) using BiOBr as the starting electrode material, featuring distinct NaBr‐Na 2 O, NaBr‐Bi, and Na 2 O‐Bi heterointerfaces, are formed through electrochemical construction. The abundantly generated heterointerfaces confer the following advantages for sodium storage. First, the in situ generated Na 2 O and NaBr uniformly and tightly encapsulate Bi nanoparticles, effectively mitigating the volume expansion of Bi during sodiation. Second, Na 2 O‐Bi and NaBr‐Bi heterointerfaces facilitate charge transport and enhance conductivity. Thirdly, ISFU‐Bi achieves high structural stability and rapid electron transport without the incorporation of carbon‐based materials, ensuring a high specific capacity. As a result, ISFU‐Bi demonstrates remarkable rate capability (248.5 mA h g −1 at 80 A g −1 ), high specific capacity (394.8 mA h g −1 at 1 A g −1 ), and exceptional cyclability (with a retention of 86.9% after 13000 cycles at 10 A g −1 ). Both NaBr‐Bi and Na 2 O‐Bi heterointerfaces are theoretically verified to present a conductive nature and facilitate Na + migration. Notably, at the Na 2 O‐Bi interface, a localized reconstruction of the electronic structure occurs due to strong electronic coupling between Bi and Na 2 O, enhancing interface diffusion kinetics.

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