DOI: 10.1002/adfm.202103067

钾离子电池（PIB）已成为锂离子电池的一种很有前途的替代品。PIB负极所面临的主要挑战在于其固有的大K+尺寸导致的缓慢动力学和较差的循环稳定性。在此，研究者通过静电纺丝设计并合成了一种球形仙人掌状Bi纳米球嵌入3D富氮碳纳米网络（Bi NSs/NCNs）的混合物。作为负极，Bi NSs/NCNs表现出前所未有的倍率（50A/g时为489.3mAh/g）和长循环性能（2000次循环后10A/g时为457.8mAh/g），优于所有报道的PIB负极材料。如此出色的性能主要源于甘醇二甲醚基电解质中形成的稳定固体电解质界面和独特的互连多孔纳米结构，这两者均有助于循环时的快速动力学和高赝电容贡献。

图1.Bi NSs/NCNs的合成步骤示意图。

图2.Bi NSs/NCNs的结构形态。a）Bi PNSs、Bi PNSs/PAN和Bi NSs/NCNs的XRD图谱。b）Bi NSs/NCNs的拉曼光谱。c）Bi NSs/NCNs的SEM和d）TEM图像。e）Bi NSs/NCNs的高分辨率TEM图像。f）Bi NSs/NCNs的SAED图谱。g）Bi NSs/NCNs的DF-STEM图像以及C、Bi和N元素的相应元素映射。h）Bi NSs/NCNs的XPS全谱。i）Bi NSs/NCNs的N1s高分辨率XPS谱。

图3.Bi NSs/NCNs的电化学特性。a）Bi NSs/NCNs在0.1mV/s时的CV曲线。b）Bi NSs/NCNs在1A/g下的恒电流充电/放电曲线。c）Bi NSs/NCNs、Bi NSs和NCNs在1A/g下的循环性能。d）Bi NSs/NCNs、Bi NSs和NCNs的倍率性能。e）Bi NSs/NCNs在不同速率下的恒电流充电/放电曲线。f）与已报道的Bi基PIB负极的倍率性能进行比较。g）与已报道的PIB负极在10A/g下的放电容量进行比较。h）不同扫描速率下电容和扩散控制电容的贡献率。i）Bi NSs/NCNs在10A/g下的长循环性能。

图4.Bi NSs/NCNs的形态演变和DFT模拟。a-f）在1A/g下进行不同循环后，DME基电解质中Bi NSs/NCNs的TEM图像。g）Bi NSs/NCNs在循环过程中的形态演变示意图。h）纯Bi（012）表面模型（左）以及DME分子在Bi（012）表面的吸附模型（右）。i）Bi、j）Bi/G、k）Bi/N5和l）Bi/N6的电荷密度差异，其中蓝色和黄色分别代表电子积累和消耗。m）K在Bi、G、Bi/G、Bi/N5和Bi/N6上的吸附能值。

图5.循环后Bi NSs/NCNs电极的EIS和非原位XPS测量。a）DME基电解质中循环Bi NSs/NCNs电极的EIS图以及b）相应的Rel和Rct值。c）EC/DEC基电解质中循环Bi NSs/NCNs电极的EIS图以及d）相应的Rel和Rct值。循环后DME基电解质中Bi NSs/NCNs的e）C1s和f）O1s高分辨率XPS光谱。循环后EC/DEC基电解质中Bi NSs/NCNs的g）C1s和h）O1s高分辨率XPS光谱。

图6.用于PIBs的Bi NSs/NCNs电极的电化学反应机制。a,b）非原位XRD图谱。c-e）放电至0.8、0.42和0.01V后的非原位HRTEM图像。f-h）充电至0.6、1和1.5V后的非原位HRTEM图像。i）完全钾化后Bi NSs/NCNs的DF-STEM图像。j）Bi、k）K、l）N和m）C元素的相应元素映射。n）完全脱钾后Bi NSs/NCNs的DF-STEM图像。o）Bi、p）K、q）N和r）C元素的相应元素映射。