In Situ Transmission Electron Microscopy Visualization of Crystallographic Reversibility in 2D Bismuthene Anodes Enabling Ultrastable Potassium-Ion Battery Cycling

材料科学 阳极 透射电子显微镜 电化学 电极 相(物质) 结构稳定性 电池(电) 离子 结晶学 纳米技术 化学 工程类 物理 物理化学 结构工程 功率(物理) 有机化学 量子力学
作者
Chongyang Zhu,Feilong Pan,Fuhan Cui,Yi Wu,Lin Su,Shiyu Yao,Shuangying Lei,Feng Xu,Litao Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c09314
摘要

Alloy-type anode materials have attracted considerable attention in advanced rechargeable battery systems for exceptional theoretical capacities, yet their practical implementation has been hindered by structural degradation during repeated ion insertion/extraction. Here, utilizing in situ transmission electron microscopy, we demonstrate that few-layer bismuthene nanosheets exhibit excellent structural stability during potassium storage processes. Specifically, few-layer bismuthene nanosheets undergo reversible single-crystal structural evolution upon depotassiation, which originates from atomically coherent interfaces between the alloyed K3Bi phase and regenerated Bi domains during potassium extraction, enabling lattice-structure inheritance and facilitating continuous epitaxial growth of the two-dimensional (2D) bismuthene framework. Particularly, such crystallographic reversibility shows strong size dependence, preferentially occurring in nanostructured few-layer bismuthene. This nanoconfinement effect also triggers a distinct phase transition pathway (Bi ↔ KBi2 ↔ KBi ↔ K5Bi4 ↔ K3Bi) that diverges from bulk material behavior. Electrochemical evaluations reveal exceptional cycling stability, with few-layer bismuthene electrodes delivering high reversible capacities of 352 and 327 mAh g–1 after 1200 (2 A g–1) and 2500 (5 A g–1) cycles, respectively, while maintaining 82.1% retention under 20 A g–1 over 3100 cycles. These findings not only elucidate the critical role of nanoscale dimensions in alloying-type anode design but provide a paradigm for developing durable 2D materials-based energy storage systems.
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